Seismic and Petrological Investigations of the Lithosphere in the Swarm- Earthquake and CO2 Degassing Region Vogtland/NW-Bohemia

Abstract

Western and Central Europe is affected by widespread rifting and associated volcanism in the foreland of the Alpine orogene. There is still an ongoing discussion on the causes of that rifting: passive rifting due to stresses induced by the Alpine collision and the North-Atlantic opening or active rifting due to active mantle up-welling. Teleseismic tomography studies imaged anomalous low seismic velocities beneath the French Massif Central and the Eifel area/Rhenish Massif, Germany, which can be interpreted as small-scale mantle plumes beneath the Tertiary to Quaternary volcanic fields. The existence of similar "mantle fingers" beneath the other volcanic fields in Central Europe was suggested, including the Eger Rift. The Eger Graben is the approximately 50 km wide and 300 km long ENE-WSW striking central graben structure of the Eger Rift, which experienced several phases of magmatic activity since the Upper Cretaceous-Tertiary boundary. CO2 emanations, sparse alkaline volcanic activity, neotectonic movements, and an unusual intraplate swarm-earthquake activity in the Vogtland/NW-Bohemia region accompany the recently active rifting process in the western part of the rift.

The present study focuses on the seismic structure and petrological composition of the lower crust and uppermost mantle beneath the presently active swarm-earthquake region and CO2 degassing field Vogtland/NW-Bohemia.

Seismic data of several temporary and permanent seismic stations in the region provided the base of a receiver function study. Using this method, local depth variations of the Moho discontinuity could be detected. Moho depths range from 27 km beneath the Cheb Basin to 38 km beneath the central Bohemian Massif. A local Moho updoming from about 31 to 27 km was detected beneath the area with the CO2 emanation centres and the Quaternary volcanoes at the surface, and the main swarm-earthquake activity in the upper crust. The lateral dimension of the effected area is approximately 40 km wide. Locally weak conversions at the Moho and increased reflectivity in the lower crust may indicate a magmatic overprinting of the crust-mantle boundary.

The results of this study also include the first average crustal vp/vs ratios on a local scale in the area under investigation. The vp/vs ratios range from 1.63 to 1.89 with a mean value of 1.73.

Furthermore, using teleseismic receiver functions, a local positive "6 s phase" was detected underneath the area of CO2 emanations and Quaternary volcanism. This phase might stem from a converter at about 50 to 60 km depth. Possibly, this converter coincides with an upper mantle reflector observed previously by reflection seismic studies.

The receiver function study also shows an apparent deepening of the 410 km discontinuity beneath the area under study. Probably, this apparent deepening is the result of lower seismic velocities in the upper mantle in comparison to the IASP91 reference model. However, a real deepening of the '410' cannot be ruled out completely at the present stage of investigation.

Additionally, (ultra-) mafic nodules (xenoliths, megacrysts), sampled from a tephra deposit near the Quaternary scoria cone ´elezna Hůrka, were investigated as rocks of the lower crust/uppermost mantle composition in this area. Most of the analysed xenoliths are wehrlitic samples, clinopyroxenites, or hornblendites and show cumulus textures. They probably represent cumulates of the host melt or fragments of small dikes/sills of crystallized alkaline melts, which intruded into the uppermost mantle and lower crust before the host melt rose to the surface. Spinel lherzolite xenoliths, the typical upper mantle rocks beneath Central Europe, could not be found in the Quaternary volcanics. Megacrysts of olivine, clinopyroxene, amphibole and phlogopite were also sampled and analysed in this study. The pressure (depth) of origin was estimated for several xenoliths using different available geothermobarometers; most estimates are in the range 8 to 12 kbar (29 to 41 km). Depth estimates from clinopyroxene and amphibole megacrysts are more or less in the same range (7 to 11 kbar; 25 to 38 km). Assuming, that at least some of the megacrysts might be deep-seated phenocrysts, these estimates provide constraints on the depth level of magmatic reservoirs in the study area. Since CO2-dominated degassing is presently going on and previously isotope (He, C) geochemical investigations on these gases showed upper mantle signatures, there might still exist active melts at this depth level.

Up to now, only two Quaternary volcanic vents are known in the study area. Maybe the alkaline magmatic activity is mostly concentrated in the uppermost mantle and lower crust and causes there metasomatism, resulting in an upper mantle composition dominated by olivine and clinopyroxene (± amphibole, ± phlogopite). A comparison of calculated seismic velocities shows that rocks similar to the analysed xenoliths have lower seismic velocities than normal upper mantle rocks (spinel lherzolites). Therefore, the seismic discontinuity in about 50 to 60 km depth could represent the base of a local metasomatic mantle containing a few percent of partial melts.

The seismic and petrological results are discussed together with the results of previous regional seismic, seismological, and geochemical and isotope investigations on CO2-dominated gas emanations. All available information is finally compiled into a conceptional model of the lithosphere in the swarm- earthquake and CO2 degassing region Vogtland/NW-Bohemia. An interconnection between the different geodynamic processes (neotectonic movements, swarm- earthquakes, CO2 degassing) observed in the area under study by presently active deep-seated magmatic activity ("magmatic underplating") is proposed.

West- und Mitteleuropa sind gekennzeichnet durch weitverbreitete Rift-Prozesse und damit verbundenen Vulkanismus im Vorland des Alpen-Orogens. Als Ursachen werden lokale passive Extension im Spannungsfeld der Alpinen Kompressionstektonik und der Nordatlantiköffnung sowie aktive Weitungsprozesse in Beziehung zu Mantelaufwölbungsprozessen diskutiert. Anomal niedrige seismische Geschwindigkeiten wurden durch teleseismische Tomographie-Studien unter dem Französischen Zentralmassiv und unter der Eifel (Rheinisches Massiv, Deutschland) abgebildet. Diese negativen Geschwindigkeitsanomalien können als kleinskalige Aufstrombereiche von Mantelmaterial (Mantel Plumes) unter den tertiären und quartären Vulkanfeldern interpretiert werden. Die Existenz ähnlicher "Mantel-Finger" wurde auch für die anderen Vulkanfelder in Mitteleuropa, einschließlich des Eger-Rifts, postuliert. Der Eger-Graben ist die etwa 50 km breite und 300 km lange ENE-WSW streichende zentrale Grabenstruktur des Eger-Rifts. Das Gebiet ist gekennzeichnet durch eine mehrphasige magmatische Aktivität seit der Grenze Oberkreide/Tertiär. Der quartäre bis rezente Rift-Prozess ist verbunden mit CO2-Entgasungen, spärlicher vulkanischer Aktivität, neotektonischen Bewegungen sowie einer ungewöhnlichen Intraplatten-Schwarmbebenaktivität in der Region Vogtland/NW- Böhmen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der seismischen Struktur und der petrologischen Zusammensetzung der unteren Erdkruste und des obersten Mantels unter der derzeit aktiven Schwarmbebenregion und dem CO2-Entgasungsfeld Vogtland/NW-Böhmen.

Seismische Daten von verschiedenen temporären und permanent installierten Erdbebenstationen im weiteren Untersuchungsgebiet sind die Grundlage für eine Studie mittels P-zu-S konvertierter seismischer Wellen (receiver functions). Mit dieser Methode konnten lokale Tiefenvariationen der Moho-Diskontinuität beobachtet werden. Die Tiefenlage der Moho reicht von 27 km unter dem Cheb Becken bis zu 38 km unter dem zentralen Böhmischen Massiv. Eine lokale Aufwölbung der Moho von einigen Kilometern (von 31 auf 27 km) deckt sich mit der Lage der CO2-Entgasungszentren sowie der Position der quartären Vulkane an der Erdoberfläche und überlappt mit der Epizentralverteilung der Haupt- Schwarmbebenaktivität in der oberen Kruste. Der Durchmesser der Moho- Aufwölbung beträgt ungefähr 40 km. Lokal beobachtete schwache Moho- Konversionen und eine erhöhte Reflektivität der Unterkruste deuten möglicherweise auf eine magmatische Überprägung der Kruste-Mantelgrenze hin.

Die Ergebnisse dieser Arbeit schließen außerdem die ersten mittleren krustalen vp/vs Verhältnisse im lokalen Maßstab für das Untersuchungsgebiet ein. Die beobachteten Werte liegen zwischen 1,63 und 1,89, der Mittelwert beträgt 1,73. Unter dem Gebiet mit CO2-Entgasungen und quartärem Vulkanismus wurden weiterhin lokal positive konvertierte Phasen mit einer Verzögerungszeit von 6 Sekunden (�6 s phase�) detektiert. Sie können wahrscheinlich einem seismischen Konverter in 50 bis 60 km Tiefe zugeordnet werden. Möglicherweise entspricht dieser Konverter einem Reflektor im oberen Erdmantel, der bereits in reflexionsseismischen Messungen beobachtet wurde.

Die receiver function-Studie zeigt außerdem ein scheinbares Abtauchen der 410 -km-Diskontinuität unter dem Untersuchsuchungsgebiet. Wahrscheinlich wird dieses scheinbare Abtauchen durch verringerte seismischer Geschwindigkeiten im oberen Erdmantel im Vergleich zum IASP91 Referenzmodell verursacht. Zum derzeitigen Untersuchungsstand kann jedoch auch ein reales Abtauchen der �410� nicht gänzlich ausgeschlossen werden.

Als zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit wurden (ultra-) mafische Knollen (Xenolithe, Megakristalle) als Gesteine der unteren Erdkruste und des oberen Erdmantels in der Region untersucht, die einem Tephra-Vorkommen in der Nähe des quartären Schlackenkegels ´elezna Hůrka (Eisenbühl) entstammen. Die meisten der analysierten Xenolithe sind Wehrlite, Klinopyroxenite oder Hornblendite und zeigen Kumulus-Texturen. Sie repräsentieren wahrscheinlich Kumulate der Wirtsschmelze oder Bruchstücke von kleinen Gängen kristallisierter alkaliner Schmelzen, die in den obersten Mantel und die Unterkruste intrudierten, bevor die Wirtsschmelze zur Erdoberfläche aufstieg. Spinell-Lherzolith-Xenolithe, die typischen Gesteine des oberen Erdmantels unter Mitteleuropa, konnten in den quartären Vulkaniten bisher nicht gefunden werden. Megakristalle (Olivin, Klinopyroxen, Amphibol, Phlogopit) wurden für die Studie ebenfalls beprobt und untersucht. Die Herkunftstiefen (Drucke) wurden für einige Xenolithe anhand unterschiedlicher verfügbarer Geothermobarometer abgeschätzt. Die erhaltenen Druckwerte liegen in der Mehrzahl zwischen 8 und 12 kbar, was einer Herkunftstiefe von etwa 29 bis 41 km entspricht. Die Schätzungen für die Klinopyroxen- und Amphibol- Megakristalle liegen im selben Bereich (7 bis 11 kbar, 25 bis 38 km). Unter der Annahme, dass zumindest einige der Megakristalle Hochdruck-Phänokristalle sind, bieten diese Abschätzungen Hinweise auf den Tiefenbereich magmatischer Reservoire im Untersuchungsgebiet. Isotopen-geochemische Untersuchungen (He, C) an den rezent austretenden CO2-reichen Gasen ergeben deutliche Signaturen des oberen Erdmantels. Wahrscheinlich existieren derzeit entgasende Schmelzen in dem durch die p-T Abschätzungen abgegrenzten Tiefenbereich.

Bis jetzt sind nur zwei quartäre Eruptionszentren im Untersuchungsgebiet bekannt. Eventuell ist die derzeitige alkaline magmatische Aktivität im obersten Mantel und in der Unterkruste konzentriert. Diese führt dort möglicherweise zu metasomatischen Prozessen, die in einer Zusammensetzung des oberen Erdmantels resultieren, die durch Olivin und Klinopyroxen dominiert ist (± Amphibol, ± Phlogopit). Ein Vergleich von berechneten seismischen Geschwindigkeiten zeigt, dass Gesteine, die ähnlich zu den analysierten Xenolithen sind, geringere seismische Geschwindigkeiten besitzen als die typischen Gesteine des oberen Mantels (Spinell-Lherzolithe). Die beobachtete seismische Diskontinuität in 50 bis 60 km Tiefe könnte somit die Basis eines lokal metasomatisch überprägten Mantels sein, der außerdem wenige Prozent partieller Schmelzen enthält.

Die seismischen und petrologischen Ergebnisse werden zusammen mit den Ergebnissen vorhergehender regionaler seismischer, seismologischer sowie gas- geochemischer und Isotopen-Studien an den CO2-Entgasungen diskutiert. Die verfügbaren Informationen werden schließlich in ein Konzeptionsmodell der Lithosphäre unter dem Schwarmbeben- und CO2-Entgasungsgebiet Vogtland/ NW- Böhmen integriert. Eine Verbindung zwischen den verschiedenen im Untersuchungsgebiet beobachteten geodynamischen Prozessen (neotektonische Bewegungen, Schwarmbeben, CO2-Entgasungen) durch rezente verdeckte tiefe magmatische Aktivitäten ("magmatic underplating") wird vorgeschlagen.