Strukturuntersuchungen in den Ostalpen anhand des teleseismischen TRANSALP- Datensatzes

Abstract

Der Datensatz des passiven seismischen TRANSALP- Projektes, in drei Teilabschnitten in den Jahren 1998, 1999 und 2002 aufgezeichnet, bildet die Grundlage für eine detaillierte Untersuchung der Struktur von Kruste und Oberem Mantel in den Ostalpen mithilfe von zwei teleseismischen Verfahren. (I) P nach S konvertierte Wellen werden benutzt, um die Tiefenlage der Kruste- Mantel- Grenze (Moho) zu bestimmen (Receiver Functions- Methode). Ein migrierter Nord-Süd-Schnitt, der die geologischen Haupteinheiten der Ostalpen auf einer Länge von über 200km nahezu senkrecht zum Streichen schneidet, offenbart die Asymmetrie der Krustenstruktur: die Europäische Moho vertieft sich von etwa 36km im Norden unterhalb der Molasse in Richtung Süden auf maximal 55-60km und lässt sich bis ca. 20km südlich der Periadriatischen Linie verfolgen. Der Übergang zur Adriatischen Moho ist steil, ein vertikaler Versatz von 15km findet auf einer horizontalen Distanz von wenigen 10er Kilometern statt. Die Adriatische Moho liegt subhorizontal in etwa 40km Tiefe. Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit den Resultaten der parallel vermessenen TRANSALP- Steilwinkelseismik. Veröffentlichungen von früheren Weitwinkelexperimenten postulieren eine Krustenmächtigkeit von nur 25-30km in ungefähr demselben Bereich der Adriatischen Platte und finden erst östlich des TRANSALP- Profils Mohotiefen von mindestens 40km. Ein Ansatz, um den scheinbaren Widerspruch der verschiedenen Ergebnisse aufzulösen, ist es, die bisher als flache Moho interpretierte Grenzfläche mit den tiefen Bereichen eines nach Nordwesten einfallenden Konverters und einem Band seismischer Reflexionen zu assoziieren. Die Natur dieser oberhalb der 40km tiefen Adriatischen Moho gelegenen Struktur bleibt spekulativ. In Kombination mit der Seismik und unter bevorzugter Berücksichtigung der höheren Frequenzen des verfügbaren Spektrums ist es möglich, weitere innerkrustale Grenzflächen zu identifizieren und geologisch einzuordnen (z.B. den Übergang von Molasse zu Grundgebirge). Synthetische Wellenformen, mit der Finite Differenzen- Methode (FD) berechnet, untermauern und ergänzen die Informationen, die aus der Inversion der Daten gewonnen werden. Sie ermöglichen u.a. die Identifikation der von Sedimenten am nördlichen Ende des Profils verursachten Multiplen und späterer kohärenter Phasen als Mohomultiple. (II) Die makroskopische Anisotropie im Oberen Mantel, aus der emph{SKS- Polarisationsanalyse} abgeleitet, lässt sich in guter Näherung durch ein horizontales 1-Schichtmodell beschreiben. Es wird ein Mehrkanalverfahren verwendet, das die Splitting Parameter (Verzögerungszeit, dt, und Orientierung der schnellen Achse, phi) robust bestimmt und auf einen im Vergleich zu Einzelmessungen erweiterten Datensatz anwendbar ist.Die Richtung der schnellen Achse ist sehr homogen entlang des Profils und beträgt ca. 65°N. Die Werte von dt sind weniger einheitlich (0.5-2.4s), im Mittel aber hoch (1.2s) und aus diesem Grund nur zu einem geringen Teil krustalen Einflüssen zuzuschreiben. Eine Erklärung für die Messergebnisse ist, dass sich die anisotropen Mantelminerale (vor allem Olivin) mit ihrer schnellen Achse bevorzugt parallel zum Fliessen im Oberen Mantel orientieren und die Fliessbewegungen dabei, verursacht durch die von Süden als rigider Indenter wirkende Adriatische Mikroplatte, seitlich, d.h. orogenparallel, gerichtet sind.

Data from the passive seismic TRANSALP experiment, which was carried out in 1998, 1999, and 2002, are analysed by two different seismic methods to investigate the crustal and upper mantle structure beneath the Eastern Alps. (I) P to S converted waves are used to determine the depth of the crust-mantle boundary (Moho, Receiver function method). A migrated NS section of ~200km length, which crosses the major geological units of the Eastern Alps, reveals the asymmetry of the crustal structure: The European Moho deepens from about 36km beneath the Molasse at the northern end of the profile southwards to a maximum value of 55-60km. It can be traced ~20km south of the Periadriatic lineament. The transition between European and Adriatic Moho is steep: a vertical offset of ~15km takes place within a horizontal distance of a few tens of kilometers. The Adriatic Moho is subhorizontal in ~40km depth. This depth value is in quite a good agreement with the results from the TRANSALP deep seismic reflection line. Publications from previous seismic experiments postulate a crustal thickness of only ~25-30km in the same region of the Adriatic plate and find greater depths of 40km and more only east of the TRANSALP profile. One approach to solve the apparent discrepancy is to associate the discontinuity, which has so far been interpreted as a flat Moho, with the deep parts of a north-west dipping converter and a band of seismic reflections. The nature of this structure situated above the 40km deep Adriatic Moho remains rather speculative. In combination with the steep angle seismics and using preferentially the upper end of the available frequency band, it is possible to identify and interprete further innercrustal discontinuities (e.g. the transition from Molasse sediments to basement). Synthetic waveforms are calculated by the finite difference method (FD). They confirm and complement the informations found by the inversion of the data set. The synthetics allow, e.g., for the identification of sediment multiples at the northern end of the profile and later coherent signals als Moho multiples. (II) The macroscopic upper mantle anisotropy, as derived from the polarisation analysis of SKS phases, can be desribed in a good approximation by a horizontal one layer model. I use a multichannel method to determine the splitting parameters (delay time, dt, and orientation of the fast axis, phi) robustly. Compared to standard methods, it is applicable to an extended data set. The orientation of the fast axis (~65°N) is very homogeneous along the profile. The values for dt are less uniform (0.5-2.4s), but quite high on average (1.2s). The crustal contribution to the observed anisotropy is therefore only minor. An explanation for the observed anisotropy is, that the anisotropic upper mantle minerals (primarily olivine) align with their fast axis preferentially parallel to the upper mantle flow. This mantle flow is directed sidewards (subparallel to the orogene) as a consequence of the movement of the Adriatic microplate, which acts a rigid indenter from the south.