Imaging of the crustal, lithospheric and upper mantle structure beneath the westernmost Mediterranean region using P- and S- receiver function methods

Abstract

From the geodynamic point of view, the westernmost Mediterranean region, containing the Alboran Domain and the surrounding land areas, is situated in the collision zone between two main tectonic plates, namely the southwestern part of the Eurasian plate (Iberia) and the African plate. Consequently, this region is characterized by a highly complex tectonic setting as testified by its surface geology and seismicity. The north-northwestward continuing convergence between those plates, from the Cretaceous to the Neogene, led to the evolution of the contractional structural units such as the Rif, Betics and Atlas mountain chains and the creation of an intra-continental extensional basin, known as the Alboran Basin. The Seismicity of this region is closely connected with the compressional tectonic activity in the vicinity of the diffuse plate boundary between the African and Iberian plates. It is primarily characterized by events of moderate magnitude. Although most of them are shallow earthquakes (h < 35 km) with magnitudes smaller than 5.5, significant middle-deep earthquake activities are also observed in the investigated region (35 km < h < 150 km). The most important specific feature in seismicty is the occurrence of some deep-focus earthquakes (h > 600 km), whose epicenters are located in southern Spain (Granada). They are the deepest earthquakes ever registered in the Mediterranean region, und their genesis is still not very well understood. Furthermore, west of the study area, along the Azores- Gibraltar fracture zone in the Atlantic ocean is thought to be the epicenter of the Great Lisbon Earthquake of 1 November 1755 with an estimated magnitude range of 8.5-9.0 (Gutscher et al. 2006). The formation of such contrasting surface structures in a convergent geodynamic setting and the peculiar nature of the seismic activity of this area have attracted the attention of many scientists since the early 70s. Although this region has been the aim of numerous geophysical and geological studies since then, its geodynamic evolution has remained controversial. In other words, the geodynamic models put forth thus far, are still in development and are not yet universally accepted. An accurate knowledge of the depth variations (topography) and the geometry of the subsurface seismic velocity structures, which are located within the first 700 km of the interior of the earth, are of great importance in improving the understanding of the geological evolution of a tectonically active area. In this context, I investigated the seismic velocity structure under the westernmost Mediterranean Sea (Alboran Sea and surroundings regions), such as the crust-mantel (Moho), the lithosphere-asthenosphere- boundary (LAB) and the upper mantle transition zone (MTZ) discontinuities by means of the parallel application of the passive seismic techniques of P- and S-receiver-function (hereafter called PRF and SRF). Both techniques were developed based on the conversion of the elastic body-waves (P, S and SKS) at an interface dividing the layers with different elastic properties. In this study, the PRF analysis was performed to image the Moho and upper mantle transition zone structures along the area of interest, whilst the SRF analysis was conducted to better resolve the variation of the LAB, by avoiding complications due to the crustal-reverberations, usually known as multiples. The database for the comprehensive PRF- and SRF-surveys was constructed from teleseismic events with magnitudes greater than 5.7. The data was recorded at three-component seismological stations belonging to nine temporary and permanent networks which were deployed in the study area within the framework of different seismological projects. In order to take advantage of planar wave approximation and avoid the complications of dealing with interfering phases, the PRF and SRF analyses were restricted to earthquakes occurring in the epicentral-distance-ranges between 30°-95° and 60°-120°, respectively. The usable teleseismic records were extracted from the database of IRIS and GEOFON data centers, using the U.S. Geological Survey Catalogue. For this study, around 5,500 PRFs and 14,000 SRFs were created by executing a set of data processing steps. Firstly, the data quality was manually evaluated to eliminate the waveforms with unclear P-, S- and SKS-onsets. Secondly, the seismograms were rotated into P-, SH- and SV-components in order to achieve the highest energy of converted phases. Afterwards, the receiver functions were computed using a time-domain deconvolution approach that allows the elimination of unknown source and path effects. Finally, the move-out correction was applied prior to the stacking of individual traces, based on event-station distance (or slowness), in order to combine coherent phases. For this purpose, a reference slowness of 6.4 s/deg was used. Using the IASP91 velocity model, the variations of the depths to velocity discontinuities below the area of study were estimated by measuring the delay-time between the main P-, S-, and SKS-arrivals and the corresponding converted Ps-, Sp-, SKSp- phases, respectively, which were generated at the base of the seismic boundaries, such as the Moho, LAB, 410 and 660 km. I was successful in observing the presence of important lateral heterogeneities of the crust by analyzing the PRFs, using the single-station-multiple-events stacking technique. Additionally, the variation of the lithospheric thickness was derived from the SRFs, applying the common conversion point (CCP) stacking technique. The results suggest that the thickness of the crust as well as the depth of LAB systematically decreases towards the east. The relatively shallow Moho as well as the shallow LAB beneath the Alboran Sea are consistent with the extensional nature of the boundary between the Iberian and African plates. I was also able to succeed in making an image of the depth of the upper mantle seismic discontinuities, applying the CCP stacking technique to PRFs. The 410 and 660 km discontinuities were found at their expected depth, implying that mantle temperatures in the region are close to the global average. Of all of proposed tectonic models to date, the results of this study favor the model which postulates “the convective removal of a lithospheric root beneath a previously over- thickened lithosphere” as the most likely geodynamic model.

Von der geodynamischen Perspektive her gesehen, ist der westliche Mittelmeerraum, der das Alboran-Meer und die umgebenden Festlandregionen umfasst, insbesondere aufgrund seiner geographischen Lage ein sehr interessantes Untersuchungsgebiet für geowissenschaftliche Forschung. Es befindet sich nämlich in der hoch aktiven Kollisionszone zwischen der Afrikanischen und Eurasischen (Iberischen) Platte und entspricht damit einer geodynamisch besonders mobilen Zone unserer Erde. Dementsprechend ist die daraus resultierende Tektonik und Geodynamik dieser Region sehr kompliziert, wie es aus den seismischen Aktivitäten und den an der Oberfläche erkennbaren, geologischen Großstrukturen zum Ausdruck kommt. Die Seismizität des Untersuchungsgebietes steht in erster Linie in engem Zusammenhang mit den kompressiven tektonischen Aktivitäten im Bereich der Plattengrenze zwischen der Afrikanischen und Iberischen Platte. Sie ist hauptsächlich durch das Auftreten von Erdbeben mit moderater Magnitude charakterisiert. Obwohl die meisten davon Flachbeben (h < 35 km) mit Magnitude weniger als 5.5 sind, werden auch signifikante seismische Aktivitäten in mittleren Tiefen (35 km < h < 150 km) beobachtet. Insbesondere bemerkenswert ist, dass auch einige Erdbeben in sehr großen Tiefen (h > 600 km) zu registrieren sind. Das Auftreten der Tiefenseismizität ist in einer kleinen Region im Süden von Spanien (Granada) konzentriert. Dies sind die tiefsten aufgezeichneten Erdbeben im Mittelmeerraum und ihre Ursprünge sind immer noch ein ungeklärtes Problem. Die Verteilung der Epizentren von Erdbeben lässt darauf schließen, dass die Plattengrenze eine breite und diffuse Deformationszone bildet. Des weiteren beherbergt diese Region das verheerende Erdbeben von Lissabon mit der Stärke 8.7, das am 1. November 1755 entlang der Azoren-Gibraltar- Bruchzone geschah. Von den geologischen Oberflächenstrukturen der Region her gesehen, schließt das Untersuchungsgebiet zwei unterschiedliche, große tektonischen Einheiten ein. Die nord- bis nordwestwärts gerichtete Afrika-Iberia-Konvergenz seit dem späten Mesozoikum und die damit verbundene Kontinent-Kontinent- Kollision zwischen den beiden Platten haben zum einen auf dem Festland zur Entstehung der kompressionalen Struktureinheiten wie dem Rif, der Betischen Kordillere und den Gebirgszügen des Atlas-Systems geführt. Zum anderen ist es jedoch trotz dieser kontinuierlichen Konvergenz im geologischen Zeitalter des Neogen zu einer Dehnungsphase gekommen, in der sich erstaunlicherweise das Alboran-Meeresbecken gebildet hat. Dieses rätselhafte Phänomen zieht seit den frühen 70er Jahren die Aufmerksamkeit der Geowissenschaftler auf sich. Eine besonders interessante Frage für diese Region besteht darin, wie sich so ein ausgedehntes Becken in einem kompressiven Regime ausbilden konnte. Die treibenden Mechanismen, die zur Entwicklung eines sich ausdehnenden Beckens in einem kompressionalen Umfeld geführt haben, sind bislang wenig verstanden und bilden somit Gegenstand äußerst kontroverser Diskussionen. Für diese tektonisch gesehen sehr kompliziert aufgebaute Region wurden von verschiedenen Geowissenschaftlern diverse Entwicklungsmodelle entworfen. Einige der vorgeschlagenen geodynamischen Modelle lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1) Backarc Extension westwärts-gerichteten Roll-back eines nach Ost einfallenden schmalen Slabs (rückschreitende Subduktion einer ozeanischen Lithosphäre) (Morley 1993; Royden 1993; Lonergan and White 1997; Michard et al. 2002). Dieses Modell wird durch Untersuchungen mittels seismischer Tomographie (Gutscher et al. 2002; Spakman and Wortel 2004) unterstützt. 2) Radialer Extensionskollaps, verursacht durch konvektive Entfernung des lithosphärischen Mantels (Platt and Vissers 1989; Houseman 1996). 3) Slab Detachment und Delamination von subkrustaler Lithosphäre (Garcia-Duenas et al. 1992; Comas et al. 1992; Docherty and Banda 1995; Seber et al. 1996; Calvert et al. 2000). 4) Slab-breakoff Modell (Zeck 1996) Durch die akkurate Identifizierung und Ermittlung der lateralen Tiefenlage-Änderungen von großräumigen Strukturgrenzen im Erdinnern bis in Tiefen von bis zu 700 km können wertvolle Rückschlüsse auf die im Erdinnern vor sich gehenden, geodynamischen Prozesse, und somit auf die geologische Evolution einer tektonisch aktiven Region gezogen werden. Hierbei legt man einen großen Wert auf die exakte Bestimmung der Topographie von seismischen Grenzstrukturen, wie der Moho-Diskontinuität (Kruste-Mantel-Grenze, Moho), der Gutenberg- Diskontinuität (Lithosphären-Asthenosphären-Grenze, LAB) und den seismischen Diskontinuitäten des Oberen Mantels (410 and 660 km). In diesem Zusammenhang besteht das Hauptziel dieser Dissertation darin, die seismischen Strukturgrenzen (Diskontinuitäten) unterhalb des westlichen Mittelmeeres und der umliegenden Regionen aufzulösen und zu kartieren. Des weiteren werden die postulierten, geotektonischen Modelle mit den erhaltenen Ergebnissen verglichen. Um Aussagen über die sich im Inneren des westlichen Mittelmeerraumes abspielenden Prozesse treffen zu können, wird im Rahmen dieser Doktorarbeit eine Strukturanalyse des tieferen Untergrunds bis hinab in den Erdmantel mithilfe der P- und S-Receiver-Funktionen (PRF und SRF) Methoden durchgeführt. Hierbei werden die Laufzeiten der von einem natürlichen Fernbeben ausgehenden Phasen (P, S, SKS) der Raumwellen untersucht, die an seismischen Diskontinuitäten konvertiert werden (z.B. von P zu S (Ps), von S zu P (Sp) oder SKS zu P (SKSp) und steil von unten an den Stationen einfallen. Da P-zu-S konvertierte Wellen von der LAB häufig durch multiple Reflexionen in der Kruste überlagert werden, ist die PRF Methode in vielen Fällen für die LAB-Bestimmung ungeeignet. Auf der anderen Seite sind S-Receiver-Funktionen grundsätzlich frei von diesen multiplen Reflexionen: Die direkten konvertierten Phasen (Sp,SKSp) erreichen die Stationen früher als die erzeugten S- und SKS-Wellen, und somit werden diese von der multiplen Phase nicht gestört. Davon ausgehend sind P-Receiver-Funktionen in dieser Dissertation nur zur Bestimmung der lateralen Änderung der Moho-Mächtigkeit und zur Untersuchung der oberen Manteldiskontinuitäten (410 km, 660 km) zum Einsatz gelangt. Im Gegensatz dazu werden S-Receiver-Funktionen mit dem Ziel benutzt, die laterale Tiefenvariation der Lithosphären-Asthenosphären-Grenze entlang des Untersuchungsgebietes festzustellen. Unter der parallelen Anwendung dieser zwei voneinander unabhängigen, passiven seismischen Methoden kann ein detailliertes Abbild der großräumigen Tiefenstrukturen unterhalb des zu studierenden Gebietes erhalten werden. Um die seismischen Diskontinuitäten identifizieren und deren Tiefenlage abschätzen zu können, werden als erstes die Laufzeit-Differenzen der konvertierten Phasen (Ps, Sp, SKSp) zu den direkten Phasen (P, S, SKS) berechnet. Dann werden sie unter Anwendung des eindimensionalen IASP91 Geschwindigkeitsmodells in Tiefe umgerechnet. Im Rahmen dieser Dissertation wurden insgesamt 5500 P- und 14000 S-Receiver- Funktionen berechnet. Im allgemeinen konnte die Mächtigkeit der Kruste und der Lithosphäre entlang des Untersuchungsgebietes mit hoher Auflösung bestimmt werden. Aus der Untersuchung der P- und S-Receiver-Funktionen folgt, dass starke laterale Variationen der Moho- und LAB-Topographie im Untersuchungsgebiet festzustellen sind, was somit einen klaren Hinweis auf die komplexe tektonische Entwicklung dieser Region gibt. Darüber hinaus wird eindeutig beobachtet, dass eine systematischen Zunahme der Moho- und LAB- Tiefen von Osten nach Westen entlang der untersuchten Region zu verzeichnen ist. In der Regel ist die Kruste in der externen Zone der Alboran Domain und der ganzen Iberian Peninsula Region mächtiger als in der internen Zone, die das Alboran-Becken und die umliegende Region einschließt. Die Kruste-Mantel- Grenze (Moho) erreicht eine Maximaltiefe von etwa 40 km im Bereich der Straße von Gibraltar, wohingegen die minimale Moho-Tiefe im zentralen Bereich des Alboran Meeres etwa 16 km beträgt. In dem Untersuchungsgebiet lassen sich außerdem zwei Region feststellen, in denen die Mächtigkeit der Lithosphäre im Verhältnis zu dem restlichen Bereich des Untersuchungsgebietes deutlich abnimmt: 1) Der zentrale Bereich des Alboran Meeres und 2) die zentrale Region auf der Iberischen Halbinsel, nördlich der Betischen Kordillere gelegen. Schließlich wurden die in 410 und 660 km Tiefe im Mantel auftretenden zwei seismischen Diskontinuitäten genauer untersucht, um die Existenz von subduziertem Material dort nachzuweisen. Die 410- und die 660-km Diskontinuitäten werden in den durchschnittlichen, globalen Tiefen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Manteltemperatur in dieser Region nicht sonderlich anomal ist. Basierend auf diesen Ergebnissen, wird unter anderem das geodynamische Modell „konvektive Entfernung des lithosphärischen Material unterhalb einer ehemaligen über-verdickten Lithosphäre“ als höchstmöglicher, geodynamischer Tiefen-Mechanismus favorisiert, der das Untersuchungsgebiet geformt, deformiert und ausgeprägt haben könnte.