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Bleibinhaus, Florian (2003): Entwicklung einer simultanen refraktions- und reflexionsseismischen 3D-Laufzeittomographie mit Anwendung auf tiefenseismische TRANSALP-Weitwinkeldaten aus den Ostalpen. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

A 3D refraction and reflection seismic travel time tomography was developed on the basis of the widespread Local Earthquake Tomography (LET) method SIMULPS. To include crustal scale refraction seismic observations in the inversion the accuracy of this method was adjusted for long ray paths and high resolution. Floating or discontinuous reflectors are modelled on separate grids by bi-cubic splines, and an appropriate reflection ray tracer was developed using the Approximate Ray Tracing/Pseudo Bending (ART/PB) method. Accuracy was adjusted by several means: arcuate ART trajectories are roughly adjusted to the velocity field before bending, multiple ART travel time minima are perturbed and step length along the ray path for distant observations is reduced by iterative resegmentation. The resulting ray tracer also finds head waves as long as interface geometry is not too complex. The extensions have been tested with some simple synthetic models focusing on problems connected with discontinuities and low velocity zones. The inversion algorithm was then applied to a wide-angle data set from the Eastern Alps recorded by seismological three-component stations during the TRANSALP campaign. From Vibroseis records a high resolved model for the upper crust was derived, which was extended to depth with low resolution using distant observations from dynamite shots. The resulting model correlates well with known geologic structures in the upper crust. The middle and lower crust shows distinct velocity functions for the European and the Adriatic part of the profile. The European Moho is resolved from the Northern Calcareous Alps in 40 km depth to the Alpine root in ca. 55 km depth, where it seems to lose its reflective character. Only few reflections from the Adriatic Moho were recorded yielding a depth of ca. 40 km. Lower crustal structure is interpreted as a result of southward subduction of Penninic oceanic crust before collision.

Abstract

Auf der Basis einer weitverbreiteten Methode der Lokalbebentomographie (SIMULPS) wurde eine simultane 3D-Tomographie für refraktierte und reflektierte Laufzeiten entwickelt. Die Genauigkeit dieser Methode wurde den Bedüfnissen der hochauflösenden Krustenrefraktionsseismik angepasst. Reflektoren werden mit bi-kubischen Splines auf separaten Gittern parameterisiert. Ausgehend von den Approximate Ray Tracing/Pseudo Bending (ART/PB) Methoden der Strahlmodellierung wurde ein geeigneter Reflexionsraytracer entwickelt. Die Erhöhung der Genauigkeit erfolgte durch eine grobe Anpassung der kreisförmigen ART-Trajektorien an das Geschwindigkeitsfeld, die Auswertung mehrerer ART-Laufzeitminima sowie die verfeinerte Diskretisierung des Strahlwegs für entfernte Beobachtungen. Der resultierende Strahlmodellierer findet auch Kopfwellen, solange die Geometrie nicht zu komplex ist. Die Erweiterungen wurden anhand von synthetischen Daten getestet, wobei ein Schwerpunkt auf der Betrachtung von Problemen im Zusammenhang mit Reflektoren und Niedriggeschwindigkeitszonen lag. Der Inversionsalgorithmus wurde dann auf einen Weitwinkeldatensatz aus den Ostalpen angewandt, der im Rahmen der TRANSALP-Messungen von seismologischen 3K-Stationen aufgezeichnet wurde. Aus Vibroseisregistrierungen konnte ein hochauflösendes Modell der Oberkruste gewonnen werden, das mit geringer Auflösung auf der Basis sprengseismischer Beobachtungen in die Tiefe fortgesetzt wurde. Das Ergebnismodell zeigt in der Oberkruste eine gute Übereinstimmung mit geologischen Befunden. Die Geschwindigkeitsverteilung der mittleren und tiefen Kruste zeigt deutliche Unterschiede zwischen dem europäischen und dem adriatischen Teil. Die Europäische Moho kann von den Nördlichen Kalkalpen, wo sie sich in etwa 40 km Tiefe befindet, bis zum Hauptkamm in 55 km Tiefe verfolgt werden. Südlich davon scheint sie ihren reflektiven Charakter zu verlieren. Mit nur wenigen reflexionsseismischen Beobachtungen wurde die Tiefe der adriatischen Moho auf 40 km bestimmt. Die Struktur der tiefen Kruste wird als Ergebnis einer südgerichteten Subduktion penninischer ozeanischer Kruste und anschließender Kollision interpretiert.