Seismic structure of the Arava Fault, Dead Sea Transform [Elektronische Ressource] / Geoforschungszentrum Potsdam. Nils Maercklin

Nils Maercklin

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2004
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• Langue: English
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Extrait

ISSN 1610-0956 Nils Maercklin
Seismic structure of the Arava Fault,
Dead Sea Transform
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin Geophysik
eingereicht an der
Mathematisch Naturwissenschaftlichen Fakultat¨
¨der Universitat Potsdam
Potsdam im Januar 2004ii
Gutachter:
Prof. Dr. Michael Weber (GeoForschungsZentrum Potsdam & Universitat¨ Potsdam)
Prof. Dr. Frank Scherbaum (Universitat¨ Potsdam)
¨Prof. Dr. Wolfgang Rabbel (Christian Albrechts Universit at Kiel)
Tag der Disputation: 2.07.2004iii
Abstract
The Dead Sea Transform (DST) is a prominent shear zone in the Middle East. It separates the Arabian
plate from the Sinai microplate and stretches from the Red Sea rift in the south via the Dead Sea to
the Taurus Zagros collision zone in the north. Formed in the Miocene∼17 Ma ago and related to the
breakup of the Afro Arabian continent, the DST accommodates the left lateral movement between
the two plates. The study area is located in the Arava Valley between the Dead Sea and the Red Sea,
centered across the Arava Fault (AF), which constitutes the major branch of the transform in this
region.
A set of seismic experiments comprising controlled sources, linear profiles across the fault, and specif
ically designed receiver arrays reveals the subsurface structure in the vicinity of the AF and of the fault
zone itself down to about 3–4 km depth. A tomographically determined seismic P velocity model
shows a pronounced velocity contrast near the fault with lower velocities on the western side than
east of it. Additionally, S waves from local earthquakes provide an average P to S velocity ratio in
the study area, and there are indications for a variations across the fault. High resolution tomographic
velocity sections and seismic reflection profiles confirm the surface trace of the AF, and observed
features correlate well with fault related geological observations.
Coincident electrical resistivity sections from magnetotelluric measurements across the AF show a
conductive layer west of the fault, resistive regions east of it, and a marked contrast near the trace
of the AF, which seems to act as an impermeable barrier for fluid flow. The correlation of seismic
velocities and electrical resistivities lead to a characterisation of subsurface lithologies from their
physical properties. Whereas the western side of the fault is characterised by a layered structure, the
eastern side is rather uniform. The vertical boundary between the western and the eastern units seems
to be offset to the east of the AF surface trace.
A modelling of fault zone reflected waves indicates that the boundary between low and high velocities
is possibly rather sharp but exhibits a rough surface on the length scale a few hundreds of metres. This
gives rise to scattering of seismic waves at this boundary. The imaging (migration) method used is
based on array beamforming and coherency analysis of P to P scattered seismic phases. Careful
assessment of the resolution ensures reliable imaging results.
The western low velocities correspond to the young sedimentary fill in the Arava Valley, and the high
velocities in the east reflect mainly Precambrian igneous rocks. A 7 km long subvertical scattering
zone (reflector) is offset about 1 km east of the AF surface trace and can be imaged from 1 km to
about 4 km depth. The reflector marks the boundary between two lithological blocks juxtaposed most
probably by displacement along the DST. This interpretation as a boundary is supported
by the combined seismic and magnetotelluric analysis. The boundary may be a strand of the AF,
which is offset from the current, recently active surface trace. The total slip of the DST may be
distributed spatially and in time over these two strands and possibly other faults in the area.iv
Zusammenfassung
Ein transversales Storungssystem¨ im Nahen Osten, die Dead Sea Transform (DST), trennt die Ara
bische Platte von der Sinai Mikroplatte und erstreckt sich von Suden¨ nach Norden vom Extensions
gebiet im Roten Meer uber¨ das Tote Meer bis zur Taurus Zagros Kollisionszone. Die sinistrale DST
bildete sich im Miozan¨ vor∼17 Ma und steht mit dem Aufbrechen des Afro Arabischen Kontinents
in Verbindung. Das Untersuchungsgebiet liegt im Arava Tal zwischen Totem und Rotem Meer, mittig
uber¨ der Arava Storung¨ (Arava Fault, AF), die hier den Hauptast der DST bildet.
Eine Reihe seismischer Experimente, aufgebaut aus kunstlichen¨ Quellen, linearen Profilen uber¨ die
Storung¨ und entsprechend entworfenen Empfanger¨ Arrays, zeigt die Untergrundstruktur in der Umge
bung der AF und der Verwerfungszone selbst bis in eine Tiefe von 3–4 km. Ein tomographisch
bestimmtes Modell der seismischen Geschwindigkeiten von P Wellen zeigt einen starken Kontrast
nahe der AF mit niedrigeren Geschwindigkeiten auf der westlichen Seite als im Osten. Scherwellen
lokaler Erdbeben liefern ein mittleres P zu S Geschwindigkeitsverhaltnis¨ und es gibt Anzeichen fur¨
¨Anderungen uber¨ die Storung¨ hinweg. Hoch aufgeloste¨ tomographische Geschwindigkeitsmodelle
bestatigen¨ der Verlauf der AF und stimmen gut mit der Oberflachengeologie¨ uberein.¨
Modelle des elektrischen Widerstands aus magnetotellurischen Messungen im selben Gebiet zeigen
eine leitfahige¨ Schicht westlich der AF, schlecht leitendes Material ostlich¨ davon und einen starken
Kontrast nahe der AF, die den Fluss von Fluiden von einer Seite zur anderen zu verhindern scheint.
Die Korrelation seismischer Geschwindigkeiten und elektrischer Widerstande¨ erlaubt eine Charakter-
isierung verschiedener Lithologien im Untergrund aus deren physikalischen Eigenschaften. Die west
liche Seite lasst¨ sich durch eine geschichtete Struktur beschreiben, wogegen die ostliche¨ Seite eher
einheitlich erscheint. Die senkrechte Grenze zwischen den westlichen Einheiten und der ostlichen¨
scheint gegenuber¨ der Oberflachenauspr¨ agung¨ der AF nach Osten verschoben zu sein.
Eine Modellierung von seismischen Reflexionen an einer Storung¨ deutet an, dass die Grenze zwi
schen niedrigen und hohen Geschwindigkeiten eher scharf ist, sich aber durch eine raue Oberflache¨
auf der Langenskala¨ einiger hundert Meter auszeichnen kann, was die Streuung seismischer Wellen
begunstigte.¨ Das verwendete Abbildungsverfahren (Migrationsverfahren) fur¨ seismische Streukorper¨
basiert auf Array Beamforming und der Koharenzanalyse¨ P zu P gestreuter seismischer Phasen. Eine
sorgfaltige¨ Bestimmung der Auflosung¨ sichert zuverlassige¨ Abbildungsergebnisse.
Die niedrigen Geschwindigkeiten im Westen entsprechen der jungen sedimentaren¨ Fullung¨ im Ara
va Tal, und die hohen Geschwindigkeiten stehen mit den dortigen prakambrischen¨ Magmatiten in
Verbindung. Eine 7 km lange Zone seismischer Streuung (Reflektor) ist gegenuber¨ der an der Ober
flache¨ sichtbaren AF um 1 km nach Osten verschoben und lasst¨ sich im Tiefenbereich von 1 km
bis 4 km abbilden. Dieser Reflektor markiert die Grenze zwischen zwei lithologischen Block¨ en, die
vermutlich wegen des horizontalen Versatzes entlang der DST nebeneinander zu liegen kamen. Diese
Interpretation als lithologische Grenze wird durch die gemeinsame Auswertung der seismischen und
magnetotellurischen Modelle gestutzt.¨ Die Grenze ist moglicherweise¨ ein Ast der AF, der versetzt
gegenuber¨ des heutigen, aktiven Asts verlauft.¨ Der Gesamtversatz der DST konnte¨ raumlich¨ und
¨zeitlich auf diese beiden Aste und moglicherweise¨ auch auf andere Storungen¨ in dem Gebiet verteilt
sein.Contents
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Tectonics and geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 Regional setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Local setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Faults and fault related structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Igneous and sedimentary rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3. Seismic experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Regional scale seismic experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Controlled Source Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4. First arrival tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 Tomographic method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.1 Forward and inverse problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.2 Resolution estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Three dimensional tomography of the study area . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2 Three dimensional velocity structure . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.3 Velocity structure and gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Two dimensi