Untersuchung der seismischen Struktur von Zentral-Tibet und Indien mit teleseismischen Breitbandregistrierungen

Abstract

Von Juli 1998 bis Juni 1999 wurde im zentralen Tibet-Plateau die geowissenschaftliche Feldkampagne INDEPTH-3/GEDEPTH-2 durchgeführt, in deren Rahmen 57 seismische Stationen zur Registrierung von Erdbeben für knapp ein Jahr im Feld belassen wurden. Der hierbei gewonnene Datensatz von Registrierungen teleseismischer Beben bildet die Grundlage für eine detaillierte Studie der seismischen Struktur von Kruste und oberem Mantel in Zentral-Tibet. 51 Stationen wurden entlang eines ungefähr linearen Profils von 30,5°N bis 33,8°N installiert, welches sich damit über die nördliche Hälfte des Lhasa- sowie die südliche Hälfte des Qiangtang-Blockes in Zentral-Tibet erstreckte und die Banggong-Nujiang-Sutur etwa in seiner Mitte überquerte. Zusätzlich zu den Daten des INDEPTH-3/GEDEPTH-2-Experimentes wurden Daten eines neuen Stationsnetzes in Indien analysiert, was einen Vergleich besonders der Struktur des oberen Mantels ermöglicht. Die Bestimmung der seismischen Struktur erfolgte durch die Isolation von Wellen, welche bei Streuung an stationsseitigen Untergrundstrukturen von P nach S konvertiert wurden (sog. Receiver-Function-Methode). Auf der Grundlage von über 4000 Reeiver-Functions hoher Qualität konnten verschiedene Aspekte der Krustenstruktur im zentralen Tibet-Plateau untersucht werden. Dazu wurde ein Migrationsverfahren entwickelt, welches eine hohe laterale Auflösung ermöglicht. Ein CDP-Stacking- Verfahren wurde weiterentwickelt, um Strukturen auch bei lateral variablen Geschwindigkeiten in ihre korrekte Tiefe projizieren zu können. Die Krustenmächtigkeit nimmt vom zentralen Lhasa-Block bis in den zentralen Qiangtang-Block nahezu linear von 69 km im Süden auf 62 km im Norden ab. Ein postulierter Sprung in der Moho-Tiefe an der Banggong-Nujiang-Sutur konnte widerlegt werden. Das durchschnittliche krustale Poisson-Verhältnis liegt bei ca. 0,25 im Lhasa- sowie bei 0,28 im Qiangtang-Block, schwankt entlang des INDEPTH-3-Profils aber in einem Bereich von 0,24 bis 0,29. Der P-S-Konversionskoeffizient der Moho variiert stark entlang des Profils. Er ist im Bereich des Qiangtang-Blockes ungefähr doppelt so groß wie im Lhasa-Block, wobei ein Zusammenhang zwischen hohem Poisson-Verhältnis und großem Konversionskoeffizienten zu bestehen scheint. Dieser wird als laterale Variationen der S-Geschwindigkeit besonders in der unteren Kruste interpretiert. Entlang des gesamten Profils werden in ca. 15 bis 30 km Tiefe P-S-Konversionen mit negativem Vorzeichen beobachtet. Diese entsprechen einer Inversion der S-Geschwindigkeiten, welche sich wahrscheinlich auf partielles Schmelzen oder Fluide in der mittleren Kruste zurückführen lässt. Diese Interpretation wird gestützt durch den Vergleich migrierter Receiver-Functions mit Ergebnissen magnetotellurischer Messungen in der Umgebung der Banggong- Nujiang-Sutur, der eine weitestgehende Übereinstimmung der Lage der Geschwindigkeitsinversion mit der Obergrenze einer konduktiven Schicht in der mittleren Kruste ergab. Die Interpretation als partielles Schmelzen bzw. Fluide wird dadurch zusätzlich untermauert. Unter dem nördlichen Qiangtang- Block konnte der nach Süden subduzierte asiatische lithosphärische Mantel abgebildet werden. Dieser stellt offenbar die untere Begrenzung einer Schicht stark verminderter S-Geschwindigkeiten dar, die nach oben bis fast an die Kruste reicht. Diese Schicht wird als heiße Asthenosphäre interpretiert. Die Konversionszeiten der Manteldiskontinuitäten in 410 und 660 km Tiefe liegen im indischen Schild nahe denen des globalen IASP91-Modelles, jedoch deutlich über den Zeiten, die in anderen präkambrischen Schilden gemessen werden. Dies wird auf eine anomal dünne indische Lithosphäre zurückgeführt. Der Vergleich mit den entsprechenden Konversionszeiten in Tibet führt nach Anwendung einer Krustenkorrektur auf deutlich kleinere Konversionszeiten, die sich auf eine unter Süd-Tibet verdickte Lithosphäre zurückführen lassen. Die Konversionszeiten entlang des INDEPTH-3/GEDEPTH-2-Profils wiederum sind erheblich größer, mit einem leichten Anstieg nach Norden. Diese Verzögerung wird auf eine Zone reduzierter Geschwindigkeit im oberen Mantel von Zentral- Tibet zurückgeführt, die wahrscheinlich nicht tiefer als 200 km reicht.

During the period from July 1998 until June 1999 the geophysical/geological field experiment INDEPTH-3/GEDEPTH-2 was conducted in the central Tibetan Plateau. As part of the seismological framework, 57 seismic stations where deployed for almost one year to record earthquakes. The recorded data set of teleseismic waveforms form the basis for a detailed study of the seismic structure of crust and upper mantle in central Tibet. 51 stations were installed along an approximately linear profile extending from 30,5°N to 33,8°N, thus covering the northern half of the Lhasa block and the southern half of the Qiangtang block in central Tibet. This profile crossed the Banggong-Nujiang suture near the middle of the line. In addition to the data acquired in Tibet, data of permanent seismic networks in India were analyzed, allowing a comparative study of the seismic structure in India and Tibet, with special emphasis on that of the upper mantle. The seismic structure was determined through isolation of secondary seismic phases, which are converted from P to S through scattering at receiver-side seismic heterogeneities (so- called receiver function method). Based on more than 4000 high-quality receiver functions, several aspects of crustal structure in the central Tibetan Plateau were investigated. For that purpose a migration method was developed which allows a high degree of lateral resolution. A CDP stacking tecknique was improved to allow proper depth migration even in the case of laterally varying velocities. The crustal thickness decreases almost linearly from 69 km in the Lhasa block to 62 km in the central Qiangtang block. A large jump in Moho depth at the Banggong-Nujiang suture postulated by other authors could be rebutted. The average crustal Poisson's ratio averages 0.25 in the Lhasa block and 0.28 in the Qiangtang block, though along the profile it varies within 0.24 - 0.29. The P-S conversion coefficient at the Moho also varies strongly along the profile. Beneath the Qiangtang block the conversion amplitude is about twice as large compared to most of the Lhasa block and there appears to be a relationship between large Poisson's ratio values and Moho conversion amplitudes. This is considered to be an indication of particularly large lateral variations in the structure of the lower crust. Negative-amplitude P-to-S conversions are observed along the whole profile, which correspond to a decrease in S velocity, probably as a consequence of mid-crustal partial melting or fluids. This interpretation is supported by results from a magnetotelluric experiment in the vicinity of the Banggong- Nujiang suture, where the position of the seismic velocity inversion largely coincides with the upper boundary of a highly conductive mid-crustal layer. Beneath the northern Qiangtang block, at the northernmost end of the region covered by the INDEPTH-3/GEDEPTH-2 line, the subducting Asian lithospheric mantle could be imaged. This structure corresponds to the base of a mantle- wedge-like region of strongly reduced S velocity, which extends almost to the base of the crust and is interpreted as hot asthenospheric material. The delay times of the waves converted at the mantle discontinuities in 410 and 660 km depth are close to those of the global IASP91 model, but conspicuously delayed compared to the times observed in other Precambrian shield areas. This is interpreted as anomalously thin Indian lithosphere. Comparison with the corresponding delay times in southern Tibet, corrected for the effects of topography and crustal thickness, leads to significantly faster 410 and 660 signals, which can be attributed to a thickened lithosphere beneath southern Tibet. The conversion times along the INDEPTH-3/GEDEPTH-2 profile are in turn slower compared to southern Tibet, with a slight increase towards the northern end of the line. This is consistent with the presence of a low-velocity layer in the upper mantle beneath central Tibet, which appears to be confined to the uppermost 200 km.