Seismic structure of the Arava Fault, Dead Sea Transform

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  • 8/3/2019 Seismic structure of the Arava Fault, Dead Sea Transform

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    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 2004

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    Gutachter:Prof. Dr. Michael Weber (GeoForschungsZentrum Potsdam & Universitat Potsdam)

    Prof. Dr. Frank Scherbaum (Universitat Potsdam)

    Prof. Dr. Wolfgang Rabbel (Christian-Albrechts-Universitat Kiel)

    Tag der Disputation: 2.07.2004

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    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 Kontinentsin 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 34 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 Oberflachenauspragung 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 aufArray 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 kmbis 4 km abbilden. Dieser Reflektor markiert die Grenze zwischen zwei lithologischen Blocken, 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.

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    Contents

    1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    2. Tectonics and geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1 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-dimensional tomography across the Arava Fault . . . . . . . . . . . . 45

    4.3.1 Solution convergence and resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    4.3.2 Shallow velocity structure across the Arava Fault . . . . . . . . . . 53

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    vi Contents

    5. Secondary arrivals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5.1 Signal enhancement methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5.1.1 Three-component processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5.1.2 Array beamforming and stacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    5.1.3 Near-vertical reflection seismics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5.2 Shear waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    5.2.1 Data processing and phase identification . . . . . . . . . . . . . . . 61

    5.2.2 P-to-S velocity ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    5.3 Fault reflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    5.4 Reflection profiles across the Arava Fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

    6. Imaging of scatterers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    6.1 Single scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    6.2 Imaging method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

    6.3 Data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    6.4 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    6.5 Distribution of scatterers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    7. Velocity and resistivity structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    7.1 Magnetotelluric method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    7.2 Magnetotelluric experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    7.3 Resistivity structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    7.4 Correlation of resistivities and velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

    8. Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .