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Abstract:
The Alpine Orogen is renowned for its complex and diverse structure. Substantial efforts have been undertaken in recent decades to unravel the tectonic complexities of the Alpine arc. Nevertheless, a comprehensive understanding of the tectonics requires detailed investigations of the 3-D crustal structure in specific regions of the Alpine. This thesis focuses on exploring the crustal structure of the Eastern and eastern Southern Alps, encompassing the northern tip of the Adriatic Plate indenting into the European Plate during the Oligo-Miocene period, known as the Adriatic Indenter (AI). The AI plays a pivotal role in the Alpine orogen.
The investigation involves the analysis of a large seismological dataset from the SWATH-D network, a dense temporary network operational from 2017 to 2019, and selected stations from the larger AlpArray Seismic Network (AASN). The small inter-station spacing (averaging ∼15 km) of this dataset enables unprecedented resolution in imaging the crustal structure across a crucial part of the Alps. To ensure well-constrained hypocenters, only earthquake data with magnitudes ranging from 1 to 4.2 ML are considered. The analysis begins with determining the arrival times of P and S waves, followed by the application of a Markov chain Monte Carlo inversion method. This method simultaneously calculates robust hypocenters, a 1-D velocity model, and station corrections without relying on prior assumptions. Apart from not relying on prior assumptions, the method offers the advantage of deriving model parameter uncertainties and noise levels.
The arrival times, hypocenters, and waveform data of subsets of the data are utilized for employing various passive seismic techniques, including local earthquake tomography (LET) and seismic attenuation tomography. LET provides VP and VP/VS models influenced by physical properties, while seismic attenuation model (QP) reflects mechanisms like fluid motion in pores and fractures or elevated temperatures. QP is also sensitive to the physical conditions and state of the rocks.
The derived images' resolution and reliability depend on the quality of arrival time data and earthquake location precision, validated through inversion of a synthetic travel time dataset created using a complex 3-D velocity model and real station and earthquake geometry. Further examination of location accuracy involves the calibration with quarry blasts. To evaluate the resolution of LET and attenuation tomography, the model resolution matrix is analyzed, and synthetic tests are additionally carried out.
The derived VP, VP/VS, and QP models uncover a highly heterogeneous structure with anomalies correlated with tectonic features. While VP is resolved down to ~60 km depth (with decreasing resolution though), VP/VS and QP models exhibit good resolution down to ~15 km and ~20 km, respectively. Seismicity patterns reveal the head-on convergence of the Adriatic indenter with the Alpine orogenic crust. Deeper seismicity in the Friuli and Giudicarie–Lessini regions than the modeled frontal thrusts indicates southward propagation of the southern Alpine deformation front (blind thrusts). The 3-D subsurface images highlight significant features, including a thickened lower crust beneath the Periadriatic Fault and the Tauern Window, suggesting decoupling from the mantle substratum and upper crust. Additionally, features along the north-western edge of the Dolomites Sub-Indenter (the sector of the AI situated to the east of the Giudicarie Fault and positioned between the Periadriatic Fault in the north and the Southern Alpine deformation front in the south) provide insights into its strength at depth.
Abstract:
Das Alpen-Orogen ist bekannt für seine komplexe und vielfältige Struktur. In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die tektonischen Komplexität der Alpen zu entschlüsseln. Dennoch erfordert ein umfassendes Verständnis der Tektonik und des Entstehens des Orogens eine detaillierte Untersuchung der Krustenstruktur. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Krustenstruktur der Ost- und östlichen-Südalpen, die den nördlichen Rand der Adriatischen Platte umfassen und während des Oligo-Miozän in die Europäische Platte eingedrungen sind, bekannt als der Adriatische Indenter (AI). Der AI spielt eine entscheidende Rolle in der Entstehung des Alpenorogens.
Die Untersuchung umfasst die Analyse eines umfangreichen seismologischen Datensatzes des SWATH-D-Netzwerks, einem dichten temporären Netzwerk, das von 2017 bis 2019 in Betrieb war, sowie ausgewählter Stationen des größeren AlpArray Seismic Network (AASN). Der geringe Abstand zwischen den Stationen (im Durchschnitt ∼15 km) dieses Netzes ermöglicht eine beispiellose Auflösung der Krustenstruktur dieses wichtigen Teils der Alpen. Um gut bestimmte Hypozentren zu gewährleisten, werden nur Erdbeben mit Magnituden im Bereich von 1 bis 4,2 ML berücksichtigt. Die Analyse beginnt mit der Bestimmung der Ankunftszeiten von P- und S-Wellen, gefolgt von der Anwendung einer Markov Chain Monte Carlo Inversionsmethode. Diese Methode berechnet gleichzeitig robuste Hypozentren, ein 1-D Geschwindigkeitsmodell und Stationskorrekturen mit möglichst wenig vorherige Annahmen. Neben dem Verzicht auf vorherige Annahmen bietet die Methode den Vorteil, Unsicherheiten der Modellparameter und Rauschniveaus abzuleiten.
Die Ankunftszeitdaten, Hypozentren und Wellenformdaten werden für verschiedene passive seismische Techniken verwendet, darunter lokale Erdbeben-Tomographie (LET) und seismische Dämpfungstomographie. LET liefert VP und VP/VS Modelle, die hauptsächlich von physikalischen Eigenschaften beeinflusst werden, während das seismische Dämpfungsmodell (QP) Mechanismen wie die Bewegung von Flüssigkeiten in Poren und Brüchen von flüssigkeitsgefüllten Gesteinen oder hohe Temperaturen widerspiegelt. QP ist auch empfindlich gegenüber den physikalischen Bedingungen und dem Zustand der Gesteine.
Die Auflösung und Zuverlässigkeit der abgeleiteten Bilder hängen stark von der Qualität der verwendeten Ankunftszeitdaten und der Präzision der Erdbebenorte ab. Letztere werden unter anderem mittels Inversion von synthetischen Laufzeitdaten für ein komplexes 3-D Geschwindigkeitsmodell und der realen Stationen- und Erdbebengeometrie abgeschätzt. Die Genauigkeit der Hypozentrenbestimmung wird durch Relokalisierungen von Explosionen in Steinbrüchen st weiter untersucht. Zur Bewertung der Auflösung von LET und Dämpfungstomographie werden auch synthetische Tests durchgeführt und zusätzlich die Modellresolutionssmatrix analysiert.
Die abgeleiteten VP, VP/VS und QP Modelle enthüllen eine stark heterogene Struktur mit Anomalien, die mit tektonischen Merkmalen korreliert sind. Während VP bis in eine Tiefe von ~60 km aufgelöst ist (mit mit der Tiefe abnehmender Ausflösung), zeigen VP/VS und QP Modelle gute Auflösungen bis in Tiefen von ~15 km bzw. ~20 km. Seismizität spiegelt die frontal aufeinanderzulaufende Konvergenz des AIs mit der alpinen orogenen Kruste wider. Die tiefere Seismizität in den Regionen Friuli und Giudicarie–Lessini im Vergleich zu den modellierten Frontalstößen deutet auf eine südwärtige Ausbreitung der südalpinen Deformationsfront (blind thrusts) hin. Die 3-D Untergrundbilder heben weitere Merkmale hervor, darunter eine verdickte untere Kruste unterhalb der Periadriatischen Verwerfung und des Tauern Fensters, was auf eine Entkopplung von ihrem manteluntergründigen Substrat sowie von ihrer oberen Kruste hinweist. Zusätzlich bieten Merkmale entlang des nordwestlichen Randes des Dolomiten-Sub-Indenters (dem Sektor des AI, der östlich des Giudicarie-Fehlers liegt und zwischen der Periadriatischen Verwerfung im Norden und der südalpinen Deformationsfront im Süden positioniert ist) weitere Einblicke in dessen tiefere Eigenschaften.
