Die seismische Struktur der Arava-Störung, Totes-Meer-Transform

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1 Die seismische Struktur der Arava-Störung, Totes-Meer-Transform Nils Maercklin Disputation an der Universität Potsdam 2. Juli 2004 Dissertation: Seismic structure of the Arava Fault, Dead Sea Transform

2 Übersicht Einleitung: Untersuchungsgebiet und Arava-Störung (AF) Seismische Geschwindigkeiten und elektrische Widerstandsverteilung in der Umgebung der AF. Oberflächennahe Struktur der AF Direkte seismische Abbildung der Störung Interpretation und Zusammenfassung

3 Tektonische Gliederung

4 Tektonische Gliederung DST Totes-Meer-Transformstörung (Dead Sea Transform) DST DST besteht aus en-echelon Störungen mit links-lateralem Versatz 105 km Versatz seit dem Miozän (~17 Ma), Heute: um 5 mm/a Seismische Aktivität konzentriert sich auf Kompressions- und Extensionsgebiete Untersuchungsgebiet: Geringe Seismizität und einfache Struktur

5 Untersuchungsgebiet

6 Geologie Alluvium & Sand (Holozän) Kies, Geröll, Konglomerat (Pleistozän) Konglomerat, Kalk (Tertiär) Kalk- & Sandsteine (Kreide) Sandsteine (Kambrium) Magmatite (Präkambrium)

7 Geologie AF QF DF Alluvium & Sand (Holozän) Kies, Geröll, Konglomerat (Pleistozän) Konglomerat, Kalk (Tertiär) Kalk- & Sandsteine (Kreide) Sandsteine (Kambrium) Magmatite (Präkambrium) AF Arava-Störung QF DF Qurayqira-Störung Dana-Störung

8 Controlled Source Array (CSA) Das CSA bildet eine Gruppe aktiver seismischer Experimente mit unterschiedlichen Aufnahmegeometrien. Ziele: 3D-Geschwindigkeitsstruktur in der Umgebung der AF Gemeinsame Interpretation mit anderen geophysikalischen Beobachtungen (elektrische Widerstandsverteilung, Gravimetrie) Eigenschaften der AF selbst (Breite der Zerrüttungszone) Entwicklung von seismischen Methoden zur Abbildung steilstehender Strukturen und Abbildung der AF

9 3D-Geschwindigkeitsstruktur Seismische Tomographie: Aus beobachteten Laufzeiten lassen sich seismische Geschwindigkeiten im Untergrund ableiten (Vielzahl von Quell-Empfänger-Kombinationen). Datenbeispiel: ein Schuss registriert entlang eines Profils

10 3D-Geschwindigkeitsstruktur Seismische Tomographie: Aus beobachteten Laufzeiten lassen sich seismische Geschwindigkeiten im Untergrund ableiten (Vielzahl von Quell-Empfänger-Kombinationen). P Hier: Ersteinsätze von P-Wellen liefern P-Geschwindigkeiten (v P ) Datenbeispiel: ein Schuss registriert entlang eines Profils

11 3D-Tomographie: Geometrie Daten: 14 Schüsse 3 Geophonlinien (9 km) Geophonabstand: 100 m Modell: Knotenabstände: senkrecht zur AF: 1 km parallel zur AF: 2-2,5 km vertikal: 0,5 km

12 3D-Tomographie: v P Vertikale Schnitte durch das 3D-Modell, v P von 2,5 km/s (violett) bis 5,0 km/s (rot) Scharfer Kontrast nahe der AF W: lateral relativ gleichförmig (Sedimente) O: Blockstruktur (Magmatite)

13 3D-Tomographie: v P Vertikale Schnitte durch das 3D-Modell, v P von 2,5 km/s (violett) bis 5,0 km/s (rot) Scharfer Kontrast nahe der AF W: lateral relativ gleichförmig (Sedimente) O: Blockstruktur (Magmatite) Vergleich mit 2D-Tomographie (NVR) (Ryberg et al., 2001)

14 Elektrische Widerstandsverteilung Magnetotellurik: Von natürlichen Quellen induzierte elektrische und magnetische Felder werden gleichzeitig an einer Station gemessen. Mithilfe der gemessenen Daten kann die Verteilung des elektrischen Widerstands ρ im Untergrund modelliert werden. Hier: 2D-Struktur entlang von Profilen (Schmidt, 2002)

15 Magnetotellurik: Geometrie

16 v P und ρ (NVR) ρ: elektrisch gut leitende Regionen in rot und gelb (Schmidt, 2002) v P : hohe Geschwindigkeiten in rot (Ryberg et al., 2001)

17 v P und ρ (NVR) ρ: Schmidt, 2002 v P : Ryberg et al., 2001

18 v P und ρ Elektrischer Widerstand Seismische Geschwindigkeit

19 v P und ρ Elektrischer Widerstand Seismische Geschwindigkeit

20 Oberflächennahe Struktur Beispiel: 2D-Tomographie (v P ) 8 Linien (1 km) über die AF Geophonabstand: 5 m Schusspunktabstand: ~20 m

21 2D-Tomographie Seismische Geschwindigkeit (v P )

22 Abbildung von Streuern Migration, Beamforming Seismometer Schuss Punktstreuer (x)

23 Abbildung von Streuern Migration, Beamforming Seismometer Schuss P Punktstreuer (x) t [s] PxP unsortierte Rohdaten

24 Abbildung von Streuern Migration, Beamforming Seismometer Schuss P P NE Punktstreuer (x) t [s] PxP unsortierte Rohdaten PxP zeitkorrigiert für einen Streuer an Position x NE = Kohärenz

25 Abbildung von Streuern Migration, Beamforming Seismometer Schuss P P NE Punktstreuer (x) t [s] PxP PxP Zeitkorrektur und Kohärenzanalyse für alle Untergrundpunkte (dx=125 m) Ergebnisse von Einzelschüssen an jedem Seismometer-Array werden gestapelt. unsortierte Rohdaten zeitkorrigiert für einen Streuer an Position x NE = Kohärenz

26 Migration: Geometrie Jeweils Seismometer bilden ein Array.

27 Migration: Geometrie Westliches Teilgebiet Geschwindigkeitsmodell

28 Migration: Auflösung Synthetisches Modell: 2 senkrechte Ebenen von Streuern parallel zur AF Bereiche mit starker Streuung sind rot dargestellt.

29 Migration: seismische Streuung Verteilung von seismischen Streuern (westliches Teilgebiet): Bereiche mit starker Streuung sind rot dargestellt.

30 Beobachtungen Oberflächennahe Struktur (bis ~ m Tiefe): Unterschiedliche physikalische Eigenschaften westlich und östlich der AF (seismische Geschwindigkeit, Reflektivität, elektrischer Widerstand) Schmaler seismischer Wellenleiter mit 3-12 m Breite, interpretiert als Zerrüttungszone der Störung (Haberland et al., 2003). Allgemeine Skalenbeziehungen zwischen Breite und Gesamtversatz einer Transformstörung lassen einen geringeren Versatz als 105 km entlang dieser Störung vermuten (siehe Haberland et al., 2003).

31 Beobachtungen Oberflächennahe Struktur (bis ~ m Tiefe): Unterschiedliche physikalische Eigenschaften westlich und östlich der AF (seismische Geschwindigkeit, Reflektivität, elektrischer Widerstand) Schmaler seismischer Wellenleiter mit 3-12 m Breite, interpretiert als Zerrüttungszone der Störung (Haberland et al., 2003). Allgemeine Skalenbeziehungen zwischen Breite und Gesamtversatz einer Transformstörung lassen einen geringeren Versatz als 105 km entlang dieser Störung vermuten (siehe Haberland et al., 2003). Struktur in 1-4 km Tiefe: Unterschiedliche physikalische Eigenschaften westlich und östlich der Störung (niedrigere seismische Geschwindigkeiten und elektrische Widerstände im Westen) Lithologische Grenze ~1 km östlich der an der Oberfläche sichtbaren Arava-Störung, abgebildet als vertikale Zone seismischer Streuung (Reflektor).

32 Modellvorstellungen Eine Störung nimmt den gesamten horizontalen Versatz auf.

33 Modellvorstellungen Eine Störung nimmt den gesamten horizontalen Versatz auf. Der Gesamtversatz verteilt sich auf mehrere Störungen.

34 Modellvorstellungen Eine Störung nimmt den gesamten horizontalen Versatz auf. Syntektonische Sedimentation: Geringerer Versatz an der Oberfläche. B und C zeichnen sich durch eine schmalere Zerrüttungszone aus als A. Arava-Störung: B + C Der Gesamtversatz verteilt sich auf mehrere Störungen.

35 Zusammenfassung Die Untergrundverteilung seismischer Geschwindigkeiten und elektrischer Widerstände zeigt abgegrenzte lithologische Einheiten westlich und östlich der Arava-Störung (AF). Die westliche Seite mit niedrigeren Geschwindigkeiten und Widerständen läßt sich durch eine geschichtete Struktur beschreiben (sedimentäre Füllung), während die östliche Seite eine Blockstruktur aufweist (Magmatite). Die Grenze zwischen den beiden lithologischen Einheiten, abgebildet als vertikale Zone seismischer Streuung (Reflektor) in 1-4 km Tiefe, ist gegenüber der Oberflächenausprägung der AF um 1 km nach Osten versetzt. Die AF setzt sich aus (mindestens) zwei Ästen zusammen, wobei der ältere (?) Ast die oben genannte lithologische Grenze bildet. Der Gesamtversatz der DST könnte sich räumlich und zeitlich auf diese Äste verteilt haben (und evtl. auf weitere Störungen in diesem Gebiet).

36

37 3D-Tomographie: Auflösung Synthetisches Modell

38 3D-Tomographie: Auflösung Synthetisches Modell Inversionsergebnis

39 Reflexionsseismik Datenbeispiel (Linie 9)

40 Reflexionsseismik Datenbeispiel (Linie 9)

41 Reflexionsseismik AF AF Südliches Profil Nördliches Profil Gestapelte Zeitsektionen

42 Breite der Zerrüttungszone Geführte seismische Wellen

43 Breite der Zerrüttungszone Modelle des Wellenleiters für Linie 4 (v S ) 3-12 m X [m] Zerrüttungszone Breite des Wellenleiters: 3-12 m Wellenleiter interpretiert als Zerrüttungszone der AF Geführte seismische Wellen (Haberland et al., 2003)

44 Migration: Geometrie Östliches Teilgebiet Geschwindigkeitsmodell

45 Migration: seismische Streuung Verteilung von seismischen Streuern (östliches Teilgebiet): Bereiche mit starker Streuung sind rot dargestellt.

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