Crustal Seismic Imaging Across the San Andreas Fault System Using Narrow-Angle Reflection Industry Data

Abstract

The present thesis uses advanced imaging techniques to determine new structural seismic depth images from the old industry reflection seismic data set SJ-6 across the San Andreas fault system in south central California. Three different migration techniques, Kirchhoff Prestack Depth migration, Fresnel Volume migration and Reflection Image Spectroscopy, respectively, are used to determine the reflectivity structure of the whole crust beneath the SJ-6 profile line. The imaging results are compared and evaluated with respect to the image quality and the observable subsurface structures. Kirchhoff Prestack Depth migration is a standard imaging technique that is suitable to image complex geological structures. Compared to the other applied methods it is less time consuming but produces considerable migration artefacts especially in cases of low data coverage. The advanced Fresnel Volume migration uses the principle of Fresnel Volumes to restrict the migration operator to the region around the actual reflection point. In this way, migration artefacts are significantly reduced and far more distinct structures can be observed in the seismic images. Reflection Image Spectroscopy considers the relation between the signals wavelength and the size of the heterogeneities in the subsurface by individually migrating discrete frequency bands. Additional small- as well as large-scale subsurface structures are imaged. Each of the three migration techniques is performed by using the same local 3D background velocity model derived from earthquake tomography. The imaged structures are finally interpreted by comparing the imaging results with other recent geophysical studies. It is shown that the individual terranes across the San Andreas fault system significantly differ in their reflectivity structure. Sequentially layered strong reflectors are identified in the lower crust of the Salinian Block southwest towards the San Andreas fault. The San Andreas fault zone itself appears as a near vertical zone that is 4 km in width and lacks of distinct reflectors. It successively broadens with increasing depth below the brittle-ductile transition zone where non- volcanic tremor locations are mainly located southwest to the San Andreas fault surface trace but inside the non-reflective zone. For that reason, these specific seismic signals are attributed to the deep extensions of the San Andreas fault zone that can be traced through the entire crust according to its distinctive reflectivity structure. So called Great Valley ophiolithes are imaged for the first time in this particular region beneath the San Joaquin Valley east to the San Andreas fault zone. This work demonstrates that old seismic data sets contain a multitude of subsurface information that traditional processing techniques are not able to extract. This way, previous interpretations can be complemented and reevaluated in consideration of recent investigation results.

In der vorliegenden Arbeit wird der 1981 industriell erhobene reflexionsseismische Datensatz SJ-6 durch drei moderne Migrationsmethoden bearbeitet, um neuartige seismische Abbilder entlang des San Andreas Störungssystems zu erzeugen. Angewendet werden die Kirchhoff Prestack Tiefenmigration, die Fresnel Volumen Migration und die Reflection Image Spectroscopy Methode. Die Kirchhoff Prestack Tiefenmigration wird standardmäßig eingesetzt und eignet sich sehr gut zur Abbildung komplexer Untergrundstrukturen. Obwohl sie schnell in der Durchführung ist, verursacht sie erhebliche Migrationsartefakte, die durch eine geringe Datenabdeckung entstehen. Die neuartige Fresnel Volumen Migration nutzt das Prinzip der Fresnel Zonen, um den Migrationsoperator im Untergrund auf die Region nahe des eigentlichen Reflexionspunktes zu beschränken und dadurch die Bildung von Migrationsartefakten zu vermindern. Die daraus resultierenden Abbilder enthalten zusätzliche Untergrundstrukturen, die sich deutlicher vom Hintergrundrauschen abgrenzen. Die Reflection Image Spectroscopy Methode setzt die Größe der Untergrundstrukturen mit den Wellenlängen der verwendeten seismischen Signale in Beziehung. Auf diese Weise können zusätzliche Strukturen sowohl im groß- als auch im kleinskaligen Bereich unter Berücksichtigung diskreter Frequenzbereiche abgebildet werden. Die drei Migrationsmethoden werden unter Verwendung des gleichen 3D Geschwindigkeitsmodells durchgeführt, das durch Erdbebentomographie erzeugt wurde. Die abgebildeten Strukturen werden mit den jüngsten Ergebnissen anderer geophysikalischer Studien verglichen und interpretiert. Die seismsichen Abbilder zeigen, dass sich die einzelnen Gesteinskomplexe des San Andreas Störungssystems deutlich in ihrer Struktur unterscheiden. Südwestlich der San Andreas Verwerfung im Salinischen Gesteinskomplex wird in der unteren Erdkruste eine Sequenz subparalleler starker Reflektoren abgebildet. Die San Andreas Verwerfung wird als 4 km breite reflexionsarme subvertikale Zone abgebildet. Diese Zone verbreitert sich sukzessive mit zunehmender Tiefe unterhalb des spröd-duktil Übergangs, wo nicht-vulkanische Tremore südwestlich der San Andreas Verwerfung lokalisiert werden. Östlich der San Andreas Verwerfung unterhalb des San Joaquin Valley werden sogenannte Great Valley Ophiolithe erstmals seismisch abgebildet. Es wird gezeigt, dass alte seismische Datensätze eine Vielzahl von Informationen enthalten, die mit den üblichen Prozessierungsmethoden nicht erfasst werden können. Die erneute Bearbeitung dieser Datensätze mit modernen Prozessierung- und Abbildungsmethoden bietet die Möglichkeit zusätzliche strukturelle Informationen zu erhalten und vorhandene Interpretationen, wenn nötig, zu aktualisieren und vor dem Hintergrund aktueller Forschungsergebnisse neu zu bewerten.