Seismic imaging of the geodynamic activity at the western Eger rift in central Europe and Fresnel zone imaging

Abstract

This thesis consists of two parts. In part A, a geodynamically active region in Central Europe (western Eger rift) is investigated by seismic imaging. In part B, a new seismic imaging technique called ‘Fresnel zone imaging’ is developed. The western Eger rift at the Czech-German border is an important geodynamically active area within the European Cenzoic rift system in the forelands of the Alps. Along with two other active areas of the ECRIS, the French Massif Central and the Eifel volcanic fields, it is characterized by numerous CO2-rich fluid emission points and frequent micro-seismicity. Existence of a plume(s) is indicated in the upper mantle which may be responsible for these observations. The subsurface of the western Eger Rift area is explored here by reprocessing a pre-existing deep reflection seismic profile called ‘9HR’. The subsurface structures as mapped by seismic reflectivity are interpreted with previous findings, mainly from seismological and geochemical studies, to investigate the observed geodynamic activity. Prominent hints of pathways are found which may allow magmatic fluids originating in the upper mantle to rise through the crust and cause the fluid emanations and earthquakes. The reflectivity image indicates existence of a non-permeable boundary in the upper crust below the swarm area that apparently acts as a fluid trap. The records of the P-to-S converted waves by this boundary from the P waves generated by the swarm earthquakes is employed to produce a P-to-S conversion image between the swarm earthquakes and a seismological station at the surface conveniently located to receive such converted waves. A converter can be clearly identified which corresponds the non-permeable boundary below the swarm area confirming the existence of the fluid trap from another independent seismic dataset. Seismic waves from a natural or controlled source reflected and mode converted at different subsurface structures can be recorded at a number of receivers. These recorded events can be then re-located to their points of origin to create an image of the subsurface. This process is known as seismic migration. The Fresnel zone imaging technique presented here is a seismic migration method which works by projecting the reflected/converted waves recorded at a number of receivers back to all potential Fresnel zones on all possible reflectors/converters from which the recorded waves may originate. The back projected reflected/converted waveforms interfere constructively at the actual reflectors/converters and destructively elsewhere to produce an image of the subsurface structures. The working principle is demonstrated on simple synthetic models containing single reflectors/converters as well as on the complex Marmousi model. Then, its application on real earthquake and reflection seismic data is presented. The Fresnel zone imaging technique follows the same core imaging principle that underlies the Kirchhoff pre-stack depth migration method. However, in the Kirchhoff technique, the back projection process is not restricted to the Fresnel zones on the reflectors/converters which often cause significant noise and artifacts. The capabilities of the Fresnel zone imaging technique is illustrated against the Kirchhoff pre-stack depth migration in all of the given synthetic and real data examples.

Diese Promotionsschrift besteht aus zwei Teilen. Im Teil A wird eine geodynamisch aktive Region in Mitteleuropa (westliches Egerrift) mittels seismischer Abbildungsverfahren untersucht. Im Teil B wird mit dem "Fresnelzonen-Imaging" ein neues seismisches Abbildungsverfahren entwickelt. Das westliche Egerrift an der Grenze zwischen Deutschland und der Tschechischen Republik ist eine bedeutende geodynamisch aktive Region im Europäischen Känozoischen Riftsystem (ECRIS) im Alpenvorland. Zusammen mit zwei anderen aktiven Bereichen des ECRIS, dem französichen Zentralmassiv und den Vulkanfeldern der Eifel, zeichnet es sich durch CO2-reiche Fluidaustritte an zahlreichen Stellen und häufige Mikroseismizität aus. Diese deuten auf die Existenz eines Plumes im Oberen Erdmantel hin, der für diese Beobachtungen verantwortlich sein könnte. Der Untergrund unter dem westlichen Egerrift wird hier mittels Reprozessierung des existierenden reflexionsseismischen Tiefenprofils "9HR" erkundet. Die geologischen Untergrundstrukturen, wie sie sich mit der seismischen Reflektivität abbilden, werden zusammen mit den bisherigen Erkenntnissen, hauptsächlich von seismologischen und geochemischen Untersuchungen interpretiert, um die beobachtete geodynamische Aktivität zu untersuchen. Darin finden sich Anzeichen von Wegsamkeiten, die es magmatischen Fluiden erlauben, aus dem Oberen Erdmantel durch die Erdkruste aufzusteigen, an der Erdoberfläche auszutreten und Erdbeben zu verursachen. Das Reflektivitätsabbild deutet die Existenz einer nichtpermeablen Grenze in der Oberen Kruste unterhalb des Schwarmbebengebietes an, die offensichtlich als Fluidbarriere wirkt. Daneben werden die Aufzeichnungen von P-Wellen, die von Schwarmbeben hervorgerufen und an Grenzschichten in S-Wellen umgewandelt werden, benutzt, um ein Abbild dieser Konversionsfläche zwischen den Hypozentren der Schwarmbeben und den seismologischen Stationen zu erzeugen. Ein Abbild einer konvertierenden Grenzschicht ist in den Daten deutlich erkennbar und entspricht der oben genannten nichtpermeablen Grenze unterhalb des Schwarmbebengebietes. Damit wird die Existenz einer Fluidbarriere mit Hilfe eines zweiten unabhängigen Datensatzes bestätigt. Seismische Wellen, hervorgerufen von einer natürlichen oder künstlichen Quelle, die an verschiedenen Untergrundstrukturen reflektiert oder umgewandelt werden, werden von einer Vielzahl von Empfängern aufgezeichnet. Diese aufgezeichneten Ereignisse können dann an ihrem Entstehungsort abgebildet werden, um ein Abbild der Untergrundstrukturen zu erhalten. Dieses Verfahren ist als seimische Migration bekannt. Das Fresnelzonen-Imaging, das hier vorgestellt wird, ist ein seismisches Migrationsverfahren, das das aufgezeichnete reflektierte / konvertierte Wellenfeld in alle potentiellen Fresnelzonen auf allen möglichen Reflektoren / Konversionsflächen rückpropagiert, von denen das aufgezeichnete Wellenfeld hervorgerufen wurde. Die rückpropagierten reflektierten / konvertierten Wellenformen überlagern sich konstruktiv an der Position des tatsächlichen Reflektors / der tatsächlichen Konversionsfläche und destruktiv an allen anderen Stellen, um ein Abbild der Untergrundstrukturen zu liefern. Das Arbeitsprinzip wird anhand einfacher synthetischer Modelle, die einen einzelnen Reflektor / eine einzelne Konversionsfläche enthalten, sowie anhand des komplexen Marmousi-Modells gezeigt. Das Fresnelzonen-Imaging folgt dem gleichen Abbildungsprinzip, das der Kichhoff-pre-stack-Tiefenmigration zugrunde liegt. Jedoch ist die Rückpropagation der aufgezeichneten Wellen in der Kirchhoff-Migration nicht auf die Fresnelzonen auf den Reflektoren / Konversionsflächen beschränkt, was oft erhebliches Rauschen und Migrationsartefakte hervorruft. Die Vorteile der Fresnelzonen-Migration gegenüber der Kirchhoff-pre-stack-Tiefenmigration werden anhand synthetischer und realer Datenbeispiele dargestellt.