dc.contributor.author
Heuer, Barbara
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:07:46Z
dc.date.available
2006-08-04T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/608
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4810
dc.description
Title, Abstract, Contents, List of Figures, List of Tables
1\. Geological and tectonic setting 1
1.1 Regional overview 1
1.2 Geological setting of the western Bohemian Massif 3
1.2.1 Variscan structural units 3
1.2.2 Tectonomagmatic structures 5
2\. Results of previous geophysical, geochemical and petrological research 7
2.1 Seismicity of the Vogtland/NW-Bohemia swarm earthquake region 7
2.2 The crust and crust-mantle boundary in seismic studies 10
2.3 Lithospheric and upper mantle structure 12
2.4 CO2 emanations and fluid investigations 15
2.5 Xenolith investigations 16
2.6 Thermal structure 16
2.7 Further models of the investigation area 17
3\. Data 19
3.1 The passive seismic experiment BOHEMA 19
3.2 Data set for P receiver function analysis 21
3.3 Data set for S receiver function analysis 22
4\. Methods 23
4.1 P receiver function method 23
4.2 S receiver function method 25
5\. Moho depths and crustal vp/vs ratios 29
5.1 Nature of the Moho 29
5.2 Data examples 29
5.3 Observations 29
5.3.1 Ps delay times of the Moho discontinuity 29
5.3.2 Crustal vp/vs ratios 36
5.4 Discussion 38
5.4.1 Map of crustal vp/vs ratios 38
5.4.2 Depth map of the Moho discontinuity 42
5.4.3 Comparison with seismic refraction profile CEL09 45
6\. Structure and thickness of the lithospheric mantle 47
6.1 Nature of the lithosphere and lithosphere-asthenosphere transition 47
6.2 Additional phases observed in P receiver function data 49
6.3 Discussion: Structures within the lithospheric mantle 50
6.4 Observations in S receiver function data 54
6.4.1 S receiver functions obtained at the seismic stations 54
6.4.2 Dividing the data into local "boxes" 56
6.5 Discussion 60
6.5.1 Lithospheric thickness beneath the western Bohemian Massif 60
6.5.2 N-S and E-W profiles 63
7\. Discontinuities of the mantle transition zone 71
7.1 Nature of the mantle transition zone 71
7.2 Observation of the upper mantle discontinuities in the study area 73
7.3 Discussion 78
8\. Summary and Conclusions 85
8.1 Moho depths and crustal vp/vs ratios beneath the western Bohemian Massif
85
8.2 Structure and thickness of the lithospheric mantle 88
8.3 Upper mantle discontinuities at 410 and 660 km depth 90
8.4 Model of the lithosphere and upper mantle beneath the western Bohemian
Massif 91
8.5 Open questions/ Outlook 93
Acknowledgements 97
References 99
Appendices 111
A.1 Station parameters of the BOHEMA experiment 111
A.2 Station parameters of the experiment by Geissler et al. 114
A.3 Members of the BOHEMA working group 115
B.1 Teleseismic events used for P receiver function analysis (BOHEMA
stations) 116
B.2 Teleseismic events used for P receiver function analysis (stations by
Geissler et al., 2005) 121
B.3 Teleseismic events used for S receiver function analysis 135
C.1 Moho depths and vp/vs ratios (Zhu and Kanamori method) 140
C.2 Moho depths and vp/vs ratios from Ps and PpPs 146
Title, Abstract, Contents, List of Figures, List of Tables
1\. Geological and tectonic setting 1
1.1 Regional overview 1
1.2 Geological setting of the western Bohemian Massif 3
1.2.1 Variscan structural units 3
1.2.2 Tectonomagmatic structures 5
2\. Results of previous geophysical, geochemical and petrological research 7
2.1 Seismicity of the Vogtland/NW-Bohemia swarm earthquake region 7
2.2 The crust and crust-mantle boundary in seismic studies 10
2.3 Lithospheric and upper mantle structure 12
2.4 CO2 emanations and fluid investigations 15
2.5 Xenolith investigations 16
2.6 Thermal structure 16
2.7 Further models of the investigation area 17
3\. Data 19
3.1 The passive seismic experiment BOHEMA 19
3.2 Data set for P receiver function analysis 21
3.3 Data set for S receiver function analysis 22
4\. Methods 23
4.1 P receiver function method 23
4.2 S receiver function method 25
5\. Moho depths and crustal vp/vs ratios 29
5.1 Nature of the Moho 29
5.2 Data examples 29
5.3 Observations 29
5.3.1 Ps delay times of the Moho discontinuity 29
5.3.2 Crustal vp/vs ratios 36
5.4 Discussion 38
5.4.1 Map of crustal vp/vs ratios 38
5.4.2 Depth map of the Moho discontinuity 42
5.4.3 Comparison with seismic refraction profile CEL09 45
6\. Structure and thickness of the lithospheric mantle 47
6.1 Nature of the lithosphere and lithosphere-asthenosphere transition 47
6.2 Additional phases observed in P receiver function data 49
6.3 Discussion: Structures within the lithospheric mantle 50
6.4 Observations in S receiver function data 54
6.4.1 S receiver functions obtained at the seismic stations 54
6.4.2 Dividing the data into local "boxes" 56
6.5 Discussion 60
6.5.1 Lithospheric thickness beneath the western Bohemian Massif 60
6.5.2 N-S and E-W profiles 63
7\. Discontinuities of the mantle transition zone 71
7.1 Nature of the mantle transition zone 71
7.2 Observation of the upper mantle discontinuities in the study area 73
7.3 Discussion 78
8\. Summary and Conclusions 85
8.1 Moho depths and crustal vp/vs ratios beneath the western Bohemian Massif
85
8.2 Structure and thickness of the lithospheric mantle 88
8.3 Upper mantle discontinuities at 410 and 660 km depth 90
8.4 Model of the lithosphere and upper mantle beneath the western Bohemian
Massif 91
8.5 Open questions/ Outlook 93
Erklärung 147
dc.description.abstract
The Bohemian Massif is the largest coherent surface outcrop of the Variscan
basement in central Europe. The investigation area of this study, the western
Bohemian Massif, is situated at the junction of three Variscan structural
units: the Saxothuringian in the north, the Teplá-Barrandian and Moldanubian
units in the south. The Palaeozoic suture between the Saxothuringian and
Teplá-Barrandian/Moldanubian units has been reactivated since the Upper
Cretaceous/Tertiary as part of the European Cenozoic Rift System. This led to
the evolution of the 300 km long and 50 km wide ENE-WSW trending Eger (Ohře)
Rift. The western part of the Eger Rift is known for geophysical and
geological phenomena such as the occurrence of earthquake swarms, CO2
dominated free gas emanations of subcontinental lithospheric mantle signature
in mineral springs and mofettes, Tertiary/Quaternary volcanism and neotectonic
crustal movements. To explain the observed phenomena, several possible
scenarios have been suggested: a small-scale mantle plume, lithospheric
thinning beneath the Eger Rift, and presently ongoing magmatic processes near
the crust-mantle boundary, including magmatic underplating. This thesis
focuses on the seismic structure of the lithosphere and upper mantle beneath
the western Eger Rift area with the aim of investigating deep-lying possible
causes of the phenomena observed at surface. For the investigation, data of
the international passive seismic experiment BOHEMA carried out in 2002/2003
was used. The BOHEMA network consisted of 61 permanent and 84 temporary
stations and was centred on the western Eger Rift. The resulting large data
set allowed a high resolution P and S receiver function study using P-to-S and
S-to-P converted waves, respectively, to map seismic discontinuities in the
lithosphere and upper mantle. Data from an earlier passive seismic experiment
was additionally used to complement the BOHEMA data set. The results of the
analysis are described in this thesis from top to bottom . A high resolution
Moho depth map of the investigated area could be obtained from more than 5000
P receiver function traces. It shows crustal thicknesses of 27 to 31 km in the
Saxothuringian unit, 30 to 33 km in the Teplá-Barrandian and 34 to 39 km in
the Moldanubian unit east of the Bavarian Shear Zone, which generally agrees
with earlier results from seismic studies. A dominant feature in the Moho
depth map is an area of thin crust of about 26 to 28 km beneath the western
Eger Rift with irregular internal geometry. This apparent Moho updoming was
already observed with less resolution in a previous receiver function study.
It corresponds well with the area of CO2 degassing fields, the region of
earthquake swarm occurrence and the location of Quaternary volcanoes at
surface. The Moho depth values have an estimated uncertainty of ± 2 km.
Furthermore, the first map of average crustal vp/vs ratios is presented for
the investigated area. The mean values associated with structural units of the
Variscan orogen vary between 1.69 and 1.75. For individual locations the
variations are larger (between 1.66 and 1.81). In the area of Moho updoming
and CO2 gas emanations, additional phases were observed in the P receiver
function data: a positive phase at about 6 s delay time, followed by a strong
negative phase at about 7 to 8 s. A mapping of the occurrence of these
additional phases showed that they form a coherent structure centred on the
western Eger Rift. The phases can be modelled by a discontinuity at 50 km
suggested by results of seismic reflection and refraction investigations and a
velocity decrease at 65 km depth. The velocity decrease might perhaps be
explained by local asthenospheric updoming and/or a confined body of partial
melt. S receiver functions were used to investigate the base of the
lithosphere as a second, independent method. If the velocity reduction
observed at 8 to 14 s delay time is interpreted as the lithosphere-
asthenosphere transition, the data show lithospheric thickness of 80 to 90 km
beneath the Saxothuringian and the northern Teplá-Barrandian unit. Towards the
south, the thickness strongly increases in the Moldanubian unit to 115 to 135
km, which corresponds well with results of previous studies. The data of the
transition from the thinner Saxothuringian/Teplá-Barrandian lithosphere to the
thicker Moldanubian lithosphere show a doubling or broadening of the negative
signal, which could point to either an abrupt increase of lithospheric
thickness, or a very steep slope, or possibly even a structure from
palaeosubduction within the lithosphere of this part of the investigated area.
However, asthenospheric updoming beneath the contact of the Saxothuringian and
Moldanubian units, centred beneath the western Eger Rift as suggested in P
receiver function data, cannot be stated from S receiver functions. Two
scenarios are suggested to explain the occurrence of the negative phase in the
P and S receiver functions at different depths: (1) The negative phases in the
P and S receiver functions represent two distinct velocity reductions. A thin
low velocity layer is detected by P receiver functions in the lithospheric
mantle at approximately 65 km depth that cannot be resolved by S receiver
functions. The velocity reduction observed in S receiver function data might
be interpreted as the lithosphere-asthenosphere transition. (2) The negative
phases in the P and S receiver functions represent in principle the same
negative velocity gradient (the lithosphere-asthenosphere transition), but
strongly influenced by the different frequency contents of the P and S waves
and by the possible nature of the transition from high to low velocities with
increasing depth. Both scenarios imply a thin region of strongly decreased
seismic velocity at about 65 km depth which might be associated with the
occurrence of partial melt in this depth range. The P-to-S converted waves
from the discontinuities of the mantle transition zone at 410 and 660 km depth
show slightly increased delay times compared to the IASP91 global reference
model. However, the thickness of the mantle transition zone is not affected
and thus points to normal temperatures in the mantle transition zone and
increased vp/vs ratio somewhere in the upper mantle above the mantle
transition zone. Furthermore, a coherent converted phase is observed in P
receiver functions that might be attributed to the discontinuity at 520 km
depth.
de
dc.description.abstract
Das Böhmische Massiv bildet das größte zusammenhängende Gebiet anstehenden
variskischen Grundgebirges in Mitteleuropa. Das Untersuchungsgebiet dieser
Arbeit, das westliche Böhmische Massiv, befindet sich an der Nahtstelle dreier
variskischer Struktureinheiten: dem Saxothuringikum im Norden, und dem Teplá-
Barrandium und Moldanubikum im Süden. Die paläozoische Sutur zwischen
Saxothuringikum und Teplá-Barrandium/Moldanubikum wurde durch das Europäische
Känozoische Riftsystem seit der Oberkreide/Tertiär reaktiviert. Dies führte
zur Entstehung des 300 km langen und 50 km breiten, ENE-WSW streichenden Eger
(Ohře) Rifts. Der westliche Teil des Eger Rifts ist bekannt für geologische
und geophysikalische Phänomene wie das Auftreten von Erdbebenschwärmen,
CO2-dominierte Gasaustritte aus Mineralquellen und Mofetten mit
subkontinentaler lithosphärischer Mantelsignatur, tertiären/quartären
Vulkanismus und neotektonische Krustenbewegungen. Um die beobachteten
Phänomene zu erklären, wurden verschiedene Szenarien vorgeschlagen: ein
kleinräumiger Mantelplume, verringerte Lithosphärenmächtigkeit unter dem Eger
Rift und gegenwärtig aktive magmatische Prozesse nahe der Kruste-Mantel-Grenze
einschliesslich magmatischem underplating. Die vorliegende Arbeit befasst sich
mit der seismischen Struktur der Lithosphäre und des oberen Erdmantels unter
dem westlichen Eger Rift. Ziel ist die Untersuchung möglicher tiefliegender
Ursachen der an der Oberfläche beobachteten Phänomene. Dafür wurden Daten des
internationalen passiven seismischen Experiments BOHEMA genutzt, welches
2002-2003 durchgeführt wurde. Das BOHEMA-Stationsnetz bestand aus 61
Permanent- und 84 Mobilstationen, die im und um das westliche Eger Rift
zentriert lagen. Der daraus hervorgehende große Datensatz erlaubte eine
hochauflösende P und S Receiver Function Analyse, um seismische
Diskontinuitäten in der Lithosphäre und im oberen Erdmantel mittels P-zu-S
bzw. S-zu-P konvertierter Wellen zu kartieren. Zur Ergänzung konnten Daten
eines früheren passiven seismischen Experiments genutzt werden. Die Ergebnisse
der Untersuchung werden in der vorliegenden Arbeit "von oben nach unten"
beschrieben. Eine hoch aufgelöste Mohotiefen-Karte des Untersuchungsgebietes
wurde aus der Bearbeitung von mehr als 5000 Einzelspuren abgeleitet. Sie zeigt
im Saxothuringikum Krustenmächtigkeiten von 27 bis 31 km, im Teplá-Barrandium
30 bis 33 km, und im Moldanubikum östlich des Bayrischen Pfahls 34 bis 39 km.
Das stimmt generell gut mit bisherigen Ergebnissen seismischer Untersuchungen
überein. In der Mohotiefen-Karte fällt ein Bereich dünner Erdkruste (26 bis 28
km) unter dem westlichen Eger Rift mit asymmetrischer Struktur auf. Diese sich
andeutende Mohoaufwölbung wurde bereits mit geringerer Auflösung in einer
früheren Receiver Function Untersuchung beobachtet. Das Gebiet der
Mohoaufwölbung stimmt gut mit dem Gebiet der CO2 Entgasungsfelder,
Erdbebenschwärme und dem Auftreten zweier quartärer Vulkane an der
Erdoberfläche überein. Die ermittelten Werte für die Mohotiefe haben eine
Unsicherheit von ± 2 km. Des weiteren wurde die erste Karte durchschnittlicher
krustaler vp/vs-Verhältnisse des Untersuchungsgebietes erstellt. Die
Durchschnittswerte für Struktureinheiten des variskischen Orogens variieren
zwischen 1,69 und 1,75, Einzelwerte variieren stärker (zwischen 1,66 und
1,81). Im Gebiet der Mohoaufwölbung und CO2 Gasaustritte wurden zusätzliche
Phasen in den P Receiver Functions beobachtet: eine positive Phase bei etwa 6
s Verzögerungszeit, gefolgt von einer starken negativen Phase bei 7 bis 8 s
Verzögerungszeit. Diese zusätzlichen Phasen treten in einem zusammenhängenden
Bereich des Untersuchungs-gebietes auf, der sein Zentrum wiederum unter dem
westlichen Eger Rift hat. Die Phasen können durch eine Diskontinuität in 50 km
Tiefe, die in früheren seismischen Untersuchungen beobachtet wurde, und eine
Geschwindigkeitsabnahme in 65 km Tiefe modelliert werden. Die
Geschwindigkeitsabnahme könnte durch eine lokale Aufwölbung der Asthenosphäre
und/oder das Auftreten partieller Schmelzen erklärt werden. Um die Dicke der
Lithosphäre mit einer zweiten, unabhängigen Methode zu untersuchen, wurden S
Receiver Functions analysiert. Dabei wurde bei 8 bis 14 s Verzögerungszeit
eine Geschwindigkeitsreduktion beobachtet, die als Lithosphären-
Asthenosphärengrenze interpretiert werden kann. Die Lithosphärenmächtigkeit
beträgt demnach unter dem Saxothuringikum und dem nördlichen Teplá-Barrandium
80 bis 90 km. Nach Süden nimmt die Lithosphärenmächtigkeit stark zu und
beträgt unter dem Moldanubikum 115 bis 135 km, was generell gut mit den
Ergebnissen früherer Arbeiten übereinstimmt. Die Daten am Übergang von der
dünneren Saxothuringischen/Teplá-Barrandischen zur dickeren Moldanubischen
Lithosphäre zeigen eine Verdopplung bzw. Verbreiterung des negativen Signals.
Das könnte entweder auf einen stufenartigen oder sehr steilen Anstieg der
Lithosphärendicke oder möglicherweise auf eine Paläosubduktionsstruktur
hinweisen. Allerdings konnte in den S Receiver Functions keine Aufwölbung der
Asthenosphäre unter dem westlichen Eger Rift, wie sie in P Receiver Functions
vermutet wurde, beobachtet werden. Zwei Szenarien könnten das beobachtete
Auftreten einer negativen Phase in P und S Receiver Functions in
unterschiedlichen Tiefen erklären: (1) Die negativen Phasen in P und S
Receiver Functions bilden zwei unterschiedliche Geschwindigkeitsverringerungen
ab. Eine dünne Niedriggeschwindigkeitsschicht in etwa 65 km Tiefe wird von den
P Receiver Functions aufgelöst, während sie von S Receiver Functions nicht
aufgelöst werden kann. Die Geschwindigkeitsverringerung, die in den S Receiver
Functions abgebildet wird, wird dagegen als Lithosphären-Asthenosphärengrenze
interpretiert. (2) Die negativen Phasen in P und S Receiver Functions bilden
im Prinzip die gleiche Geschwindigkeitsverringerung ab (die Lithosphären-
Asthenosphärengrenze), allerdings beeinflusst von den Eigenschaften dieser
Zone und dem unterschiedlichen Frequenzgehalt von P- und S-Wellen. Auch in
diesem Fall müsste es einen dünnen Bereich mit starkem negativen
Geschwindigkeitsgradienten in 65 km Tiefe geben, in dem auch partielle
Schmelzen auftreten könnten. Die P-zu-S konvertierten Wellen von den
Diskontinuitäten der Mantelübergangszone in 410 und 660 km Tiefe zeigen leicht
erhöhte Verzögerungszeiten im Vergleich zum IASP91 Standard-Erdmodell. Die
Dicke der Mantelübergangszone ist allerdings unverändert und weist daher auf
normale Temperaturen in der Mantelübergangszone und ein erhöhtes vp/vs
Verhältnis in einer Schicht oberhalb der Mantelübergangszone hin. Weiterhin
wurden Anzeichen für die Existenz einer Diskontinuität in 520 km Tiefe
beobachtet.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Bohemian Massif
dc.subject
receiver function
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Lithospheric and upper mantle structure beneath the western Bohemian Massif
obtained from teleseismic P and S receiver functions
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Rainer Kind
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Serge Shapiro
dc.date.accepted
2006-07-21
dc.date.embargoEnd
2006-08-07
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000002255-9
dc.title.translated
Struktur der Lithosphäre und des oberen Erdmantels unter dem westlichen
Böhmischen Massiv, abgeleitet aus P und S Receiver Functions
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000002255
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2006/401/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000002255
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free
dcterms.accessRights.openaire
open access