Abbildung der seismischen Strukturen der Kruste, Lithosphäre und des Mantels
unterhalb der westlichsten Mittelmeerregion unter Anwendung der P- und S
-Receiver-Funktions-Methoden
From the geodynamic point of view, the westernmost Mediterranean region,
containing the Alboran Domain and the surrounding land areas, is situated in
the collision zone between two main tectonic plates, namely the southwestern
part of the Eurasian plate (Iberia) and the African plate. Consequently, this
region is characterized by a highly complex tectonic setting as testified by
its surface geology and seismicity. The north-northwestward continuing
convergence between those plates, from the Cretaceous to the Neogene, led to
the evolution of the contractional structural units such as the Rif, Betics
and Atlas mountain chains and the creation of an intra-continental extensional
basin, known as the Alboran Basin. The Seismicity of this region is closely
connected with the compressional tectonic activity in the vicinity of the
diffuse plate boundary between the African and Iberian plates. It is primarily
characterized by events of moderate magnitude. Although most of them are
shallow earthquakes (h < 35 km) with magnitudes smaller than 5.5, significant
middle-deep earthquake activities are also observed in the investigated region
(35 km < h < 150 km). The most important specific feature in seismicty is the
occurrence of some deep-focus earthquakes (h > 600 km), whose epicenters are
located in southern Spain (Granada). They are the deepest earthquakes ever
registered in the Mediterranean region, und their genesis is still not very
well understood. Furthermore, west of the study area, along the Azores-
Gibraltar fracture zone in the Atlantic ocean is thought to be the epicenter
of the Great Lisbon Earthquake of 1 November 1755 with an estimated magnitude
range of 8.5-9.0 (Gutscher et al. 2006). The formation of such contrasting
surface structures in a convergent geodynamic setting and the peculiar nature
of the seismic activity of this area have attracted the attention of many
scientists since the early 70s. Although this region has been the aim of
numerous geophysical and geological studies since then, its geodynamic
evolution has remained controversial. In other words, the geodynamic models
put forth thus far, are still in development and are not yet universally
accepted. An accurate knowledge of the depth variations (topography) and the
geometry of the subsurface seismic velocity structures, which are located
within the first 700 km of the interior of the earth, are of great importance
in improving the understanding of the geological evolution of a tectonically
active area. In this context, I investigated the seismic velocity structure
under the westernmost Mediterranean Sea (Alboran Sea and surroundings
regions), such as the crust-mantel (Moho), the lithosphere-asthenosphere-
boundary (LAB) and the upper mantle transition zone (MTZ) discontinuities by
means of the parallel application of the passive seismic techniques of P- and
S-receiver-function (hereafter called PRF and SRF). Both techniques were
developed based on the conversion of the elastic body-waves (P, S and SKS) at
an interface dividing the layers with different elastic properties. In this
study, the PRF analysis was performed to image the Moho and upper mantle
transition zone structures along the area of interest, whilst the SRF analysis
was conducted to better resolve the variation of the LAB, by avoiding
complications due to the crustal-reverberations, usually known as multiples.
The database for the comprehensive PRF- and SRF-surveys was constructed from
teleseismic events with magnitudes greater than 5.7. The data was recorded at
three-component seismological stations belonging to nine temporary and
permanent networks which were deployed in the study area within the framework
of different seismological projects. In order to take advantage of planar wave
approximation and avoid the complications of dealing with interfering phases,
the PRF and SRF analyses were restricted to earthquakes occurring in the
epicentral-distance-ranges between 30°-95° and 60°-120°, respectively. The
usable teleseismic records were extracted from the database of IRIS and GEOFON
data centers, using the U.S. Geological Survey Catalogue. For this study,
around 5,500 PRFs and 14,000 SRFs were created by executing a set of data
processing steps. Firstly, the data quality was manually evaluated to
eliminate the waveforms with unclear P-, S- and SKS-onsets. Secondly, the
seismograms were rotated into P-, SH- and SV-components in order to achieve
the highest energy of converted phases. Afterwards, the receiver functions
were computed using a time-domain deconvolution approach that allows the
elimination of unknown source and path effects. Finally, the move-out
correction was applied prior to the stacking of individual traces, based on
event-station distance (or slowness), in order to combine coherent phases. For
this purpose, a reference slowness of 6.4 s/deg was used. Using the IASP91
velocity model, the variations of the depths to velocity discontinuities below
the area of study were estimated by measuring the delay-time between the main
P-, S-, and SKS-arrivals and the corresponding converted Ps-, Sp-, SKSp-
phases, respectively, which were generated at the base of the seismic
boundaries, such as the Moho, LAB, 410 and 660 km. I was successful in
observing the presence of important lateral heterogeneities of the crust by
analyzing the PRFs, using the single-station-multiple-events stacking
technique. Additionally, the variation of the lithospheric thickness was
derived from the SRFs, applying the common conversion point (CCP) stacking
technique. The results suggest that the thickness of the crust as well as the
depth of LAB systematically decreases towards the east. The relatively shallow
Moho as well as the shallow LAB beneath the Alboran Sea are consistent with
the extensional nature of the boundary between the Iberian and African plates.
I was also able to succeed in making an image of the depth of the upper mantle
seismic discontinuities, applying the CCP stacking technique to PRFs. The 410
and 660 km discontinuities were found at their expected depth, implying that
mantle temperatures in the region are close to the global average. Of all of
proposed tectonic models to date, the results of this study favor the model
which postulates “the convective removal of a lithospheric root beneath a
previously over- thickened lithosphere” as the most likely geodynamic model.Von der geodynamischen Perspektive her gesehen, ist der westliche
Mittelmeerraum, der das Alboran-Meer und die umgebenden Festlandregionen
umfasst, insbesondere aufgrund seiner geographischen Lage ein sehr
interessantes Untersuchungsgebiet für geowissenschaftliche Forschung. Es
befindet sich nämlich in der hoch aktiven Kollisionszone zwischen der
Afrikanischen und Eurasischen (Iberischen) Platte und entspricht damit einer
geodynamisch besonders mobilen Zone unserer Erde. Dementsprechend ist die
daraus resultierende Tektonik und Geodynamik dieser Region sehr kompliziert,
wie es aus den seismischen Aktivitäten und den an der Oberfläche erkennbaren,
geologischen Großstrukturen zum Ausdruck kommt. Die Seismizität des
Untersuchungsgebietes steht in erster Linie in engem Zusammenhang mit den
kompressiven tektonischen Aktivitäten im Bereich der Plattengrenze zwischen
der Afrikanischen und Iberischen Platte. Sie ist hauptsächlich durch das
Auftreten von Erdbeben mit moderater Magnitude charakterisiert. Obwohl die
meisten davon Flachbeben (h < 35 km) mit Magnitude weniger als 5.5 sind,
werden auch signifikante seismische Aktivitäten in mittleren Tiefen (35 km < h
< 150 km) beobachtet. Insbesondere bemerkenswert ist, dass auch einige
Erdbeben in sehr großen Tiefen (h > 600 km) zu registrieren sind. Das
Auftreten der Tiefenseismizität ist in einer kleinen Region im Süden von
Spanien (Granada) konzentriert. Dies sind die tiefsten aufgezeichneten
Erdbeben im Mittelmeerraum und ihre Ursprünge sind immer noch ein ungeklärtes
Problem. Die Verteilung der Epizentren von Erdbeben lässt darauf schließen,
dass die Plattengrenze eine breite und diffuse Deformationszone bildet. Des
weiteren beherbergt diese Region das verheerende Erdbeben von Lissabon mit der
Stärke 8.7, das am 1. November 1755 entlang der Azoren-Gibraltar- Bruchzone
geschah. Von den geologischen Oberflächenstrukturen der Region her gesehen,
schließt das Untersuchungsgebiet zwei unterschiedliche, große tektonischen
Einheiten ein. Die nord- bis nordwestwärts gerichtete Afrika-Iberia-Konvergenz
seit dem späten Mesozoikum und die damit verbundene Kontinent-Kontinent-
Kollision zwischen den beiden Platten haben zum einen auf dem Festland zur
Entstehung der kompressionalen Struktureinheiten wie dem Rif, der Betischen
Kordillere und den Gebirgszügen des Atlas-Systems geführt. Zum anderen ist es
jedoch trotz dieser kontinuierlichen Konvergenz im geologischen Zeitalter des
Neogen zu einer Dehnungsphase gekommen, in der sich erstaunlicherweise das
Alboran-Meeresbecken gebildet hat. Dieses rätselhafte Phänomen zieht seit den
frühen 70er Jahren die Aufmerksamkeit der Geowissenschaftler auf sich. Eine
besonders interessante Frage für diese Region besteht darin, wie sich so ein
ausgedehntes Becken in einem kompressiven Regime ausbilden konnte. Die
treibenden Mechanismen, die zur Entwicklung eines sich ausdehnenden Beckens in
einem kompressionalen Umfeld geführt haben, sind bislang wenig verstanden und
bilden somit Gegenstand äußerst kontroverser Diskussionen. Für diese
tektonisch gesehen sehr kompliziert aufgebaute Region wurden von verschiedenen
Geowissenschaftlern diverse Entwicklungsmodelle entworfen. Einige der
vorgeschlagenen geodynamischen Modelle lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1) Backarc Extension westwärts-gerichteten Roll-back eines nach Ost
einfallenden schmalen Slabs (rückschreitende Subduktion einer ozeanischen
Lithosphäre) (Morley 1993; Royden 1993; Lonergan and White 1997; Michard et
al. 2002). Dieses Modell wird durch Untersuchungen mittels seismischer
Tomographie (Gutscher et al. 2002; Spakman and Wortel 2004) unterstützt. 2)
Radialer Extensionskollaps, verursacht durch konvektive Entfernung des
lithosphärischen Mantels (Platt and Vissers 1989; Houseman 1996). 3) Slab
Detachment und Delamination von subkrustaler Lithosphäre (Garcia-Duenas et al.
1992; Comas et al. 1992; Docherty and Banda 1995; Seber et al. 1996; Calvert
et al. 2000). 4) Slab-breakoff Modell (Zeck 1996) Durch die akkurate
Identifizierung und Ermittlung der lateralen Tiefenlage-Änderungen von
großräumigen Strukturgrenzen im Erdinnern bis in Tiefen von bis zu 700 km
können wertvolle Rückschlüsse auf die im Erdinnern vor sich gehenden,
geodynamischen Prozesse, und somit auf die geologische Evolution einer
tektonisch aktiven Region gezogen werden. Hierbei legt man einen großen Wert
auf die exakte Bestimmung der Topographie von seismischen Grenzstrukturen, wie
der Moho-Diskontinuität (Kruste-Mantel-Grenze, Moho), der Gutenberg-
Diskontinuität (Lithosphären-Asthenosphären-Grenze, LAB) und den seismischen
Diskontinuitäten des Oberen Mantels (410 and 660 km). In diesem Zusammenhang
besteht das Hauptziel dieser Dissertation darin, die seismischen
Strukturgrenzen (Diskontinuitäten) unterhalb des westlichen Mittelmeeres und
der umliegenden Regionen aufzulösen und zu kartieren. Des weiteren werden die
postulierten, geotektonischen Modelle mit den erhaltenen Ergebnissen
verglichen. Um Aussagen über die sich im Inneren des westlichen
Mittelmeerraumes abspielenden Prozesse treffen zu können, wird im Rahmen
dieser Doktorarbeit eine Strukturanalyse des tieferen Untergrunds bis hinab in
den Erdmantel mithilfe der P- und S-Receiver-Funktionen (PRF und SRF) Methoden
durchgeführt. Hierbei werden die Laufzeiten der von einem natürlichen
Fernbeben ausgehenden Phasen (P, S, SKS) der Raumwellen untersucht, die an
seismischen Diskontinuitäten konvertiert werden (z.B. von P zu S (Ps), von S
zu P (Sp) oder SKS zu P (SKSp) und steil von unten an den Stationen einfallen.
Da P-zu-S konvertierte Wellen von der LAB häufig durch multiple Reflexionen in
der Kruste überlagert werden, ist die PRF Methode in vielen Fällen für die
LAB-Bestimmung ungeeignet. Auf der anderen Seite sind S-Receiver-Funktionen
grundsätzlich frei von diesen multiplen Reflexionen: Die direkten
konvertierten Phasen (Sp,SKSp) erreichen die Stationen früher als die
erzeugten S- und SKS-Wellen, und somit werden diese von der multiplen Phase
nicht gestört. Davon ausgehend sind P-Receiver-Funktionen in dieser
Dissertation nur zur Bestimmung der lateralen Änderung der Moho-Mächtigkeit
und zur Untersuchung der oberen Manteldiskontinuitäten (410 km, 660 km) zum
Einsatz gelangt. Im Gegensatz dazu werden S-Receiver-Funktionen mit dem Ziel
benutzt, die laterale Tiefenvariation der Lithosphären-Asthenosphären-Grenze
entlang des Untersuchungsgebietes festzustellen. Unter der parallelen
Anwendung dieser zwei voneinander unabhängigen, passiven seismischen Methoden
kann ein detailliertes Abbild der großräumigen Tiefenstrukturen unterhalb des
zu studierenden Gebietes erhalten werden. Um die seismischen Diskontinuitäten
identifizieren und deren Tiefenlage abschätzen zu können, werden als erstes
die Laufzeit-Differenzen der konvertierten Phasen (Ps, Sp, SKSp) zu den
direkten Phasen (P, S, SKS) berechnet. Dann werden sie unter Anwendung des
eindimensionalen IASP91 Geschwindigkeitsmodells in Tiefe umgerechnet. Im
Rahmen dieser Dissertation wurden insgesamt 5500 P- und 14000 S-Receiver-
Funktionen berechnet. Im allgemeinen konnte die Mächtigkeit der Kruste und der
Lithosphäre entlang des Untersuchungsgebietes mit hoher Auflösung bestimmt
werden. Aus der Untersuchung der P- und S-Receiver-Funktionen folgt, dass
starke laterale Variationen der Moho- und LAB-Topographie im
Untersuchungsgebiet festzustellen sind, was somit einen klaren Hinweis auf die
komplexe tektonische Entwicklung dieser Region gibt. Darüber hinaus wird
eindeutig beobachtet, dass eine systematischen Zunahme der Moho- und LAB-
Tiefen von Osten nach Westen entlang der untersuchten Region zu verzeichnen
ist. In der Regel ist die Kruste in der externen Zone der Alboran Domain und
der ganzen Iberian Peninsula Region mächtiger als in der internen Zone, die
das Alboran-Becken und die umliegende Region einschließt. Die Kruste-Mantel-
Grenze (Moho) erreicht eine Maximaltiefe von etwa 40 km im Bereich der Straße
von Gibraltar, wohingegen die minimale Moho-Tiefe im zentralen Bereich des
Alboran Meeres etwa 16 km beträgt. In dem Untersuchungsgebiet lassen sich
außerdem zwei Region feststellen, in denen die Mächtigkeit der Lithosphäre im
Verhältnis zu dem restlichen Bereich des Untersuchungsgebietes deutlich
abnimmt: 1) Der zentrale Bereich des Alboran Meeres und 2) die zentrale Region
auf der Iberischen Halbinsel, nördlich der Betischen Kordillere gelegen.
Schließlich wurden die in 410 und 660 km Tiefe im Mantel auftretenden zwei
seismischen Diskontinuitäten genauer untersucht, um die Existenz von
subduziertem Material dort nachzuweisen. Die 410- und die 660-km
Diskontinuitäten werden in den durchschnittlichen, globalen Tiefen beobachtet,
was darauf hindeutet, dass die Manteltemperatur in dieser Region nicht
sonderlich anomal ist. Basierend auf diesen Ergebnissen, wird unter anderem
das geodynamische Modell „konvektive Entfernung des lithosphärischen Material
unterhalb einer ehemaligen über-verdickten Lithosphäre“ als höchstmöglicher,
geodynamischer Tiefen-Mechanismus favorisiert, der das Untersuchungsgebiet
geformt, deformiert und ausgeprägt haben könnte
