High resolution 3D Rayleigh wave velocity model of China and surrounding area

Abstract

China is located at the triple junction where the Indian plate, the Pacific plate and the Eurasian plate meet. This makes this region very interesting from the geodynamic point of view. The most significant is the continental collision between the Indian and Eurasian plate, which started at (approx. 50 Mya). It was this event that gave rise to the Himalayas which is the highest mountain range and to the Tibetan plateau which constitutes the tickest crust on Earth. China itself has three major Precambrian cratons: the North China craton (also called Sino-Korean craton), the Yangtze craton (also called South China craton) and the Tarim block. The interactions among these different blocks have formed the present day tectonic features and caused many intraplate earthquakes. These tectonics settings have made China an interesting place for various kind of studies as all of these events have left their imprint on the upper mantle structure. It is generally agreed that the lithosphere is thick in west China while much of the lithospheric root was lost beneath the cratons in east China. It is still an open debate whether the mantle lithosphere beneath the Tibetan plateau has doubled its thickness as did the crust above or whether much of the thickened lithosphere was removed by mantle convection and delamination. For the present work we carry out our research with two objectives : (A) Constructing a high resolution three- dimensional velocity model of the upper mantle. (B) Probing convection and deformation of the mantle through analysis of seismic anisotropy. In our study we determine the three dimensional Sv wave speed and the azimuthal anisotropy model by analyzing vertical component multimode Rayleigh wave seismograms. We use data of broadband stations within and around China. We construct the three dimensional model using a two step procedure. In the first step we use the automated version of the Cara & Leveque (1987) waveform inversion technique. Secondary observables were used to model modeling each multimode Rayleigh waveform to determine the path-averaged mantle Sv wave speed structure. We have used the 3SMAC model for the crustal part and a smooth version of PREM for the upper mantle velocity structure as an initial model. In the second stage we combine the 1-D velocity models in a tomographic inversion to obtain the three dimensional Sv wave speed structure and the azimuthal anisotropy as a function of depth. The velocity model achieved, showed that the upper most part of our model (till 200 km) is in good agreement with the tectonics, though below 200 km there seems to be loss of resolution. There is a clear distinction in terms of the lithospheric thickness from east to west China. In the west, including Tibet and Pamir, the thickness of lithosphere nearly reaches 200 km. Whereas in the eastern part of the Yangtze craton, 70-80 km of the lithospheric thickness is observed. The absence of lithosphere in the North China carton suggests that in this region the thickness is less than 70 km, which is beyond the resolving power of our method. Deep lithospheric roots with thickness around 100-150 km can be observed in the Tarim basin, the Sichuan basin and the Ordos block. It is widely accepted that the extent of the Indo-Eurasian collision deformation is being restricted by the Tarim basin in the north and in the east by the Ordos block and the Sichuan basin. The model is also comparable with results of various receiver function and SS precursor studies. The pattern of azimuthal anisotropy in central and western Tibet shows a clear indication of decoupling between the crust and mantle. The orientation of the anisotropy is changing from east-west at shallow depth to north-south at deeper depth. Though in the eastern part of Tibet along the Kunlun fault and the Sichuan basin the orientation remains the same through all depths. This is a clear indication for coupled crust and mantle.

In China treffen drei wichtige Kontinentalplatten aufeinander: die indische Platte, die pazifische Platte, sowie die eurasische Platte. Dies macht diese Region aus geodynamischer Sicht sehr interessant. Die bedeutenste geologische Struktur ist die noch sehr junge Kontinentalkollision zwischen indischer und eurasischer Platte (approx. 50 Mya). Dieses Ereignis führte zur Ausbildung des himalayischen Gebirgskette und einer sehr mächtigen Krustenstruktur in der Region Tibet. In China finden sich drei bedeutende präkambrische Kratonstrukturen: der Nord-China-Kraton (Sino-Korean-Kraton), der Süd-China- Kraton (Yangtze-Kraton) und der Tarim-Block. Die Interaktion zwischen den einzelnen Blöcken ist für die heute sichtbaren tektonischen Strukturen, sowie für viele der intrakontinentalen Erdbeben, verantwortlich. Diese tektonischen Vorraussetzungen machen China zu einem sehr interessanten Platz für eine Vielzahl von unterschiedlichen Untersuchungen. All diese Ereignisse haben ihre Spuren in der Struktur des oberen Mantels hinterlassen. Im allgemeinen wird eine mächtige Lithosphäre im Westen Chinas angenommen. In den östlichen Kratonen Chinas geht man von einem Verlust der lithosphärischen Wurzel aus. Nach wie vor ist die Frage offen ob der litospärische Mantel unter Tibet seine Mächtigkeit verdoppelt hat oder große Teile der Lithospäre durch Mantelkonvektion und Delamination entfernt wurden. Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele: (A) Erstellung eines hochauflösenden dreidimensionalen Geschwindigkeitsmodels des oberen Mantels. (B) Erforschung der Mantelkonvektionen und Manteldeformationen durch Analyse der seismischen Anisotropie. In dieser Arbeit wird ein dreidimensionales Model der Sv-Wellen Geschwindigkeit sowie der azimuthalen Anisotropie berechnet. Dieses wird durch die Analyse der vertikalen Komponente von mehrmodigen Rayleigh-Wellen- Seismogramen erstellt. Für die Analyse werden Daten von Breitbandstationen in China und angrenzenden Regionen verwendet. Das dreidimensionale Modell wird in zwei Schritten berechnet. Im ersten Schritt wird eine automatisierte Wellenform-Inversionstechnik Cara & Leveque (1987) verwendet. Sekundäre Messgrößen werden für die Modellierung von mehrmodigen Rayleigh Wellenformen verwendet. Aus diesen wird dann eine über den Pfad gemittelte Sv- Wellengeschwindigkeitstruktur berechnet. Als Ausgangsmodelle wurden das 3SMAC- Modell für die Krustengeschwindigkeiten, sowie eine glatte Version des PREM Models für die Wellengeschwindigkeiten des oberen Mantels verwendet. In einem zweiten Schritt werden die eindimensionalen Geschwindigkeitsmodelle mittels tomographischer Inversion zu einem dreidimensionalen Model der seismischen Geschwindigkeit und der azimuthalen Anisotropie kombiniert. Der obere Teil unseres Modells (bis 200 km Tiefe) lässt sich gut mit den vorherrschenden tektonischen Strukturen erklären. Ab einer Tiefe von 200 km lässt die Auflösung des Models allerdings stark nach und erschwert weitere Interpretationen. Es kann deutlich zwischen Lithospärenmächtigkeiten im Osten und Westen Chinas unterschieden werden. Im Westen Chinas, einschliesslich Tibet und Pamir, erreicht die Lithospäre Mächtigkeiten bis zu 200 km, wohingegen sie im Yangtze-Kraton im Osten Chinas jediglich Mächtigkeiten von 70-80 km erreicht. Das komplette Fehlen der Lithospäre im Norden Chinas spricht für eine Mächtigkeit von unter 70 km, diese liegt jedoch unter dem Auflösungsvermögen unserer Methode. Lithosphärische Wurzeln mit einer Tiefe von bis zu 100-150 km können im Tarim-Basin, im Sichuan-Basin, sowie im Ordos- Block beobachtet werden. Desweiteren gilt als gesichert, dass sich die Deformation aufgrund der Kollision von indischer und eurasicher Platte auf das Tarim-Basin im Norden und auf das Sichuan-Basin im Osten beschränkt. Das Model ist vergleichbar mir Ergebnissen aus verschiedenen Receiver Function und SS Precursor Studien. Die Strukturen der azimuthalen Anisotropie in Zentral- und Westtibet deuten auf eine Entkopplung der Krust vom Mantel hin. Die Orientierung der Anisotropie ändert sich von Nord-Süd in geringen Tiefen hin zu Ost-West in größeren Tiefen. In Teilen Tibets entlang der der Kunlun Störung und im Sichuan-Basin gibt es keinen Wechsel der Anistropierichtung im Bereich von 75-125 km Tiefe. Dies deutet auf eine Kopplung von Kruste und Mantel hin.