3-D Dichteverteilung und isostatisches Verhalten der Lithosphäre in den Ostalpen

Abstract

Das Schwerefeld der Ostalpen wird in dieser Arbeit mittels verschiedenster Methoden analysiert, um Erkenntnisse über Struktur und Aufbau der Lithosphäre zu gewinnen. Insbesondere sollen die durch den Kollisionsprozess zwischen europäischer und adriatischer Platte verursachten Charakteristika der Struktur der Lithosphären bestimmt werden. Mit den verwendeten direkten Interpretationsverfahren ist eine erste Bestimmung der Hauptquellen des Schwerefeldes möglich. Für die Ostalpen zeigt sich, dass die Dichteverteilung an der Krusten-Mantel-Grenze und in der Oberkruste die Hauptquellen des Schwerefeldes bilden. Eine direkte Berücksichtigung der Ergebnisse aus anderen Disziplinen bietet die 3D-Vorwärtsmodellierung. Für die Ostalpen ergeben sich, unter Verwendung der Ergebnisse verschiedener Randbedingungen zwei alternative Modelle für die 3D-Dichtestruktur der Lithosphäre. Gemeinsam ist den beiden Modellen die Struktur in den oberen 10 Kilometer der Kruste. Es zeigt sich, dass die Dichteinhomogenitäten in der Oberkruste bis zu einem Drittel der gesamten Bougueranomalie verursachen. Das Modell Eschen-38 basiert auf dem Geschwindigkeitsmodell Eschen-38 und zeigt hauptsächlich Dichteunterschiede in vertikaler Richtung. Das zweite Modell dagegen berücksichtigt stärker die Ergebnisse der Reflektionsseismik und der Receiver-Function-Analysis, die im Rahmen des TRANSALP-Experiments gewonnen wurden. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse ergibt sich eine veränderte Geometrie der Krusten-Mantel-Grenze innerhalb der adriatischen Platte und eine damit verbundenen andere Dichte- und Lastenverteilung. Die 3D-Dichtemodelle liefern die interne Lastenverteilungen der ostalpinen Lithosphäre, die für die Betrachtung des isostatischen Ausgleichs und die Bestimmung der flexurellen Rigidität der Lithosphärenplatte benötigt werden. Eine Untersuchung des lokalen isostatischen Verhaltens im Sinne des Modells von Airy zeigt den starken Einfluss innerkrustaler Lasten auf die isostatischen Verhältnisse. So korreliert das isostatische Residualfeld starkmit den an der Oberfläche beobachtbaren tektonischen Einheiten bzw. der Schwerewirkung der oberen 10 km der Kruste. Berücksichtigt man die gesamten innerkrustalen Masseninhomogenitäten gegenüber einer homogenen Kruste konstanter Dichte, erhält man, abhängig vom verwendeten Dichtemodell, starke Auflasten der Unterkruste, welche auf die Ausgleichsfläche wirken. Für die Analyse der regionalen Isostasie nach Vening-Meinesz werden Flexurmodelle verwendet und die flexurelle Rigidität mittels der Konvolutions- Methode berechnet. Die Lithosphäre der Ostalpen ist in weiten Teilen durch niedrige Werte der flexurellen Rigidität (D < 10E21 Nm) ausgezeichnet. Im Modell TRANSALP werden jedoch im Bereich der Südalpen für die flexurelle Rigidität hohe Werte (D > 100E21 Nm) bestimmt, welche in Zusammenhang mit den sehr großen innerkrustalen Auflasten stehen, die durch die mächtige adriatische Unterkruste verursacht werden. Insgesamt deuten die Ergebnisse der unterschiedlichen Analyseverfahren darauf hin, dass das Modell Eschen-38 das realistischere ist. Die sehr hohen Dichten in der adriatischen Unterkruste im Modell TRANSALP, und die damit verbundenen großen innerkrustalen Auflasten und resultierenden Werte der flexurellen Rigidität, deuten drauf hin, dass die modellierte Moho nicht der Grenze zwischen Kruste und Mantel entspricht, sondern dem Übergang zwischen unterschobener europäischer Kruste und adriatischem Mantel oder einem Übergang im oberen Mantel.

The aim of this study is to investigate the structure of the Eastern Alpine lithosphere using different techniques to analyze the gravity field. Of particular interest are the lithospheric characteristics caused by the collision of the Adriatic and European plate. Direct interpretation techniques allow only a first estimate of the main sources of the gravity field. In the case of the Eastern Alps the main sources are the density distribution at the crust-mantle boundary and density variations within the uppermost crust. Consideration of the constraining information from different sources has resulted in two alternative models for the 3D density structure of the Eastern Alps. Both of these models feature the same structure within the uppermost 10 km of the crust, which is well constrained and directly related to the tectonic formations visible at the surface. The uppercrustal density distribution contributes up to one third to the total Bouguer gravity field of the Eastern Alps. The first model is based on the velocity model Eschen-38 and features mainly density contrasts in the vertical direction. The second model is based on the results of reflection seismic and receiver function analysis by the TRANSALP experiments. Based on these results the geometry of the crust-mantle boundary within the Adriatic plate is very different. From the 3D models of density structure the internal loads of the Eastern alpine lithosphere can be calculated. These loads are necessary to investigate isostatic compensation and to estimate the flexural rigidity of the lithospheric plate. An investigation of isostasy in the sense of an Airy isostatic model shows that the internal loads strongly influence the isostatic compensation. The isostatic residual field correlates with geological formations, visible at the surface and structures within the the uppermost 10 km of the crust. Regional compensation is analyzed using a convolution method based on flexural models , i.e. Vening-Meinesz isostatic model. Over broad areas the lithosphere of the Eastern Alps features small values of flexural rigidity (D < 10E21 Nm). But within the lithosphere of the TRANSALP model high values of flexural rigidity (D > 100E21 Nm) are detected in the southern Alps. The high values are connected to the strong internal loading of the plate caused by the thick Adriatic lower crust and its high density. Together, the results suggest that the Eschen-38 model is more realistic. The high densities within the Adriatic lower crust of the TRANSALP model and the related large internal loads and high flexural rigidity indicate that the modeled crust-mantle boundary is not the Adriatic Moho. Instead this boundary is likely to be the boundary between subducted European crust and Adriatic crust, or a boundary within the upper mantle. Therefore, the geometry of the crust-mantle boundary as featured in the Eschen-38 model seems to be more reliable.