Receiver function analysis of the crust and upper mantle from the North German Basin to the Archean Baltic Shield

Abstract

Two passive seismic experiments have been carried out across the Trans- European Suture Zone (TESZ) from northern Germany to southern Sweden (TOR) and across the Proterozoic-Archean suture in Finland (SVEKALAPKO) to improve our understanding of the processes involved in the creation of the European continent. Teleseism ic earthquakes recorded by the two networks and stations of the GRSN and GEOFON permanent networks have been used for studies of the crust-mantle, and upper man tle seismic discontinuities with the receiver function method. Along the TOR net work the depth to the Moho increases from 30 km at the southern edge of the prof ile to 40 km at the Elbe Line. Between the Elbe Line and TESZ the Moho branches off and whereas the deeper branch continues at 40 km depth to the TESZ a second branch appears at 30-35 km depth. The upper branch descends beyond the TESZ to b elow 55 km under the northern end of the TOR profile. The crustal thickening nor th of the TESZ is accompanied by an increase in average Vp/Vs values, appearance of intracrustal conversion zones and north dipping features which are interpret ed as remnants of the collision between Avalonia and Baltica. In southern Finla nd beneath the SVEKALAPKO network the Moho starts in the south at the depth of 40-45 km, plunges to about 65 km depth south of the Archean-Proterozoic suture. It is coincident with a north dipping intracrustal structure apparently related to the collision of the Proterozoic and Archean provinces in Proterozoic. North of the APSL the Moho rises smoothly to a depth of 45 km across the Archean orog eny in the north. Along the TOR profile, 410 and 660 discontinuities were hard to detect. However, manyfold stacking of receiver functions revealed that the co nversions from the two discontinuities arrive more or less according to IASP91 predicted time. Across the SVEKALAPKO network 410 and 660 discontinuities arrive markedly earlier than IASP91 theoretical arrival times. In particular north of the Archean-Proterozoic suture in Finland the 410 and 660 km conversions arrive about 2 sec earlier, indicating about 5% higher average upper mantle velocities and lower temperatures than IASP91 global model predicts.

Zwei passive seismische Experimente wurden durchgeführt, um das Verständnis der Prozesse zu verbessern, die zur Entstehung des Europäischen Kontinents geführt haben. Das erste überquerte die Trans-European Suture Zone (TESZ) von Norddeutschland bis Südschweden (TOR), das zweite die Sutur zwischen Archaikum und Proterozoikum in Finnland (SVEKALAPKO). Teleseismische Ereignisse, die von den beiden temporären Stationsnetzen und zusätzlich von Permanentstationen des GRSN- und des GEOFON-Netzes aufgezeichnet wurden, wurden mithilfe der receiver functions-Methode analysiert, um die Kruste-Mantel-Grenze (Moho) und die seismischen Diskontinuitäten im oberen Mantel zu untersuchen. Entlang des TOR- Profils steigt die Tiefe der Moho von 30 km am südlichen Ende auf 40 km im Bereich der Elbe-Linie an. Zwischen der Elbe-Linie und der TESZ spaltet sich die Moho auf. Während sich der tiefere Teil in 40 km Tiefe bis zur TESZ fortsetzt, erscheint eine flachere Grenzfläche in 30-35 km Tiefe. Diese vertieft sich auf etwa 55 km jenseits der TESZ am Nordende des TOR-Profils. Mit der Zunahme der Krustenmächtigkeit nördlich der TESZ geht ein Anwachsen des Vp/Vs-Verhältnisses einher. Zudem erscheinen intrakrustale Konversionszonen und nach Norden einfallende Strukturen, die als Überreste der Kollision zwischen Avalonia und Baltica interpretiert werden. Im südlichen Finnland unterhalb des SVEKALAPKO-Netzes beginnt die Moho im Süden in 40-45 km Tiefe und taucht auf etwa 65 km Tiefe südlich der Sutur zwischen Archaikum und Proterozoikum ab. Dies fällt mit dem Auftreten einer nach Norden einfallenden innerkrustalen Struktur zusammen, die offensichtlich mit der Kollision proterozoischer und archaischer Provinzen im Proterozoikum in Verbindung steht. Nördlich der Archean-Proterozoic Suture Line (APSL) steigt die Moho sanft auf 45 km Tiefe unter dem im Archaikum enststandenen Gebirge im Norden an. Entlang der TOR-Linie sind die 410er und 660er Diskontinuitäten kaum zu erkennen. Mehrfache Stapelung der receiver functions offenbarte jedoch, dass die Konversionen der beiden Grenzflächen ungefähr zu den für das IASP91-Modell erwarteten Zeiten auftreten. Entlang des SVEKALAPKO-Netzes treffen die Signale der 410er und 660er Diskontinuitäten merklich früher als vom IASP91- Modell vorhergesagt ein. Insbesondere nördlich der Sutur zwischen Archaikum und Proterozoikum in Finnland treten beide Konversionen um etwa 2s früher als die theoretischen Zeiten auf. Dies deutet auf eine gegenüber dem IASP91- Referenzmodell um ca. 5% erhöhte Geschwindigkeit und niedrigere Temperaturen im oberen Mantel hin.