Upper Mantle Anisotropy under the eastern alps and the pannonian basin

Ehsan Qorbani Chegeni

doi:10.25365/thesis.40523

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1323298

Title (eng)

Upper Mantle Anisotropy under the eastern alps and the pannonian basin

Author

Ehsan Qorbani Chegeni

Advisor

Götz Bokelmann

Assessor

Mark Handy

Georg Rümpker

Abstract (deu)

Seismische Anisotropie im Erdinneren ist von zentraler Bedeutung: Sie liefert Informationen über geodynamische Prozesse, spiegelt das aktuelle Spannungsfeld wieder, und enthält Informationen über die Deformationsgeschichte innerhalb und zwischen Kontinenten. Diese Arbeit beschreibt Untersuchungen von anisotropen Eigenschaften des oberen Mantels unterhalb der Ostalpen und des Pannonischen Beckens, Regionen, die seit der Kreidezeit verschiedenen Deformationsprozessen unterworfen waren. Gegensätzliche Hypothesen zu Subduktionssystemen, die Vielfältigkeit von geologischen Erscheinungen und eine komplexe Tektonik führen dazu, daß viele Fragen über diese Regionen noch unbeantwortet sind. In dieser Arbeit werden Parameter seismischer Anisotropie mittels Scherwellen-Splitting von Kern-Scherwellen-Phasen (SKS) bestimmt, um Deformationen in der Tiefe zu charakterisieren und mit Oberflächengeologie und Topographie zu vergleichen. Die vorliegende Arbeit umfasst drei Hauptthemen: Zunächst wird das Muster der Anisotropie entlang der Alpen präsentiert. Dieses verläuft parallel zur Topographie und zeigt eine fortlaufende Rotation entlang der Bergkette. Auf Höhe der Ostalpen wird das Muster unterbrochen und zeigt dort lokale laterale Veränderungen der Anisotropie. Durch Modellierung der azimutalen Abhängigkeit der Splitting-Parameter wird zusätzlich die vertikale Variation der Anisotropie untersucht. Hieraus resultierend wird ein zwei-Schichten Modell für die Anisotropie unter den Ostalpen vorgeschlagen. Die tiefere der beiden Schichten wird mit einer abgetrennten tektonischen Platte in Verbindung gebracht, während die obere Schicht auf Fließbewegungen in der Asthenosphäre zurückzuführen sind. Der zweite Teil befasst sich mit dem Tauern-Fenster der Alpen und untersucht in dieser Region die Kopplung zwischen Kruste und Mantel mittels Vergleich der Deformation der unteren Kruste mit Informationen aus seismischer Anisotropie. Messungen legen eine mechanische Kopplung von Kruste und oberem Mantel nahe und geben Hinweise auf die Tiefenausdehnung der Lithosphäre der adriatischen Ausbuchtung auf der Europäischen Platte. Des weiteren wird die Struktur tiefer Verformungen unter dem Pannonischen Becken und benachbarten Gebieten erforscht. Hierfür wird seismische Anisotropie kombiniert mit Untersuchungen an verformten Xenolith-Proben. Hierbei wird eine weiträumige Anisotropie in der Asthenosphäre aufgezeigt, welche möglicherweise mit der oberen anisotropen Schicht unter den Ostalpen verbunden ist. Das plausibelste Modell für die Interaktion des asthenosphärischen Mantels mit der überlagerten und umgebenden Lithosphäre verbindet fluss-induzierte NW-SO Ausrichtung in der Asthenosphäre mit einem NO ausgerichteten, stauchenden Spannungsfeld zwischen der Adriatischen und der Ost-Europäischen Platte. Im Ergebnis zeigen diese Studien eine vergleichsweise einfache Struktur der seismischen Anisotropie im oberen Mantel, im Gegensatz zur komplexen Geologie und Oberflächendeformation im Gebiet der Ostalpen, der Karpathen und des Pannonischen Beckens. Hieraus folgt, dass diese Anisotropie mit NW-SO Ausrichtung aus dem asthenosphärischen Mantel stammen muss.

Abstract (eng)

Knowledge of anisotropy within the Earth interiors is crucial; it shed light into signatures of geodynamic processes and reflect the current strain field and deformation history within and across the continents. This thesis describes investigations on anisotropic properties of the upper mantle under the Eastern Alps and the Pannonian basin, regions that have undergone several deformation processes since Cretaceous. Contrasting hypotheses for subduction systems, diversity of geologic units, and complex tectonic setting still raise many unanswered questions about this area. Here the distribution of deformation and its depth is achieved by measuring anisotropic parameters through the splitting of core shear-waves (SKS) and compared to surface geology and topography. This thesis presents three main topics. At first the anisotropy pattern along the Alpine chain is presented. The pattern of anisotropy is mountain parallel and shows a progressive rotation along the chain. A breakdown at the longitude of the Eastern Alps is detected; there, individual measurements show a local lateral change in the anisotropy. In addition, by modeling the backazimuthal dependency of the splitting measurements, the vertical variation of anisotropy is assessed. As a result a two-layer model of anisotropy beneath the Eastern Alps is proposed; the deeper layer is related to a detached slab and the upper layer is attributed to asthenospheric flow. Then, the focus moves to the Tauern Window of the Alps. Coupling between crust and mantle in this area has been assessed by comparison of kinematic data from the lower crustal deformation with the deformation signatures from anisotropy. Measurements suggest a mechanical coupling between the crust and upper mantle, indicating the lithospheric depth extension of the Adriatic indentation on the European plate. Furthermore, this thesis investigates the deep deformation pattern under the Pannonian region and surrounding areas by means of seismic anisotropy together with constraints from naturally deformed xenolith rock samples. Here a large-scale anisotropy of asthenospheric origin, possibly connected to the upper layer anisotropy under the Eastern Alps, is presented. We present the most plausible model of interaction between asthenospheric mantle with the overlying and surrounding lithosphere. In this model NW-SE flow induced alignments within the asthenosphere is related to NE-ward compressional tectonic regime acting in a region between the Adriatic plate and the East European platform. The results of this thesis suggest that on the contrary to the complex geology and surface deformation, the upper mantle anisotropy and deformation under the whole Carpathian-Pannonian region and Eastern Alps is rather simple, concluding that this anisotropy depicting NW-SE alignment has to originate from the asthenospheric mantle.

Keywords (eng)

Seismic anisotropyshear-wave splittingupper mantledeformationlithosphereasthenosphereEastern AlpsTauern WindowCarpathian-Pannonian region

Keywords (deu)

Seismische AnisotropieScherwellen-Splittingoberer MantelDeformationLithosphäreAsthenosphäreOstalpenTauern-FensterKarpaten-Pannonien Region

Subject (deu)

Seismologie

Subject (deu)

Tektonik

Subject (deu)

Geophysik: Allgemeines

Subject (deu)

Petrologie: Allgemeines