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Seismological contributions on the crustal structure and stress field in the wider Vienna Basin region from AlpArray
Sven Erik Schippkus
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Geophysik)
Betreuer*in
Götz Bokelmann
DOI
10.25365/thesis.60672
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25128.06357.170352-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die äußerste Schicht der Erde, die Kruste, ist das Medium in dem viele der für den Menschen bedeutsamsten geologischen Prozesse stattfinden, z.B. aktive Deformation, die Erdbeben auslösen kann, und auch die Anhäufung natürlicher Ressourcen. Im Wiener Becken und seiner Umgebung sind die Struktur der Kruste und das Spannungsfeld aufgrund der vielfältigen tektonischen Geschichte komplex. Die meisten veröffentlichten tomographischen Modelle gewähren lediglich grobe Einblicke in die Verteilung von Geschwindigkeiten der Kruste und sind häufig inkonsistent mit anderen Beobachtungen oder haben geringe Auflösung. Das derzeitige Wissen über das regionale Spannungsfeld basiert auf punktweisen Messungen oder Modellierungen, und sie formen kein klares und konsistentes Bild.
Diese Arbeit verwendet Daten des internationalen AlpArray-Projekts, um diese Aspekte genauer zu beleuchten. Im Rahmen von AlpArray wurde der gesamte Alpenraum über mehrere Jahre mit einem dichten Netzwerk von Breitbandseismometern abgedeckt. Dies ermöglicht neue Studien sowie detaillierte Einblicke in die geophysikalischen Eigenschaften der Erde. Die drei Themen dieser Arbeit zielen darauf ab, unser Verständnis über die Struktur der Kruste und die Orientierung des heutigen Spannungsfeldes in der Gegend des Wiener Becken zu erweitern.
Im ersten Teil wird ein neues und detailliertes Abbild der Schergeschwindigkeiten in der Kruste vorgestellt, das mit Hilfe seismischer Tomographie von Oberflächenwellen, die auf Kreuzkorrelationen des Umgebungsrauschens basieren, hergeleitet wurde. Dieses Modell zeigt eine tief-sitzende Niedrig-geschwindigkeitsanomalie unter dem nordöstlichen Wiener Becken; es gewährt neue Einblicke in die tiefere Struktur der Kruste und wirft Licht auf die Geometrie des Übergangs zwischen Europäischer und Adriatischer Platte. Das Modell stimmt mit anderen Beobachtungen, wie etwa der Tiefe des Kristallin aus Bohrlöchern, der Verteilung von Gesteinen an der Oberfläche, und Schwereanomalien überein.
Als zweiter Teil folgt eine Untersuchung der Erdbebenserie von Alland, die in einer zuvor seismisch ruhigen Gegend stattgefunden hat. Sie liegt ∼30km nördlich der aktiven Störungszonen der Region und damit nahe des M∼6 Erdbebens von Neulengbach/Ried am Riederberg aus dem Jahr 1590. Die Serie fand auf einer nach Nordosten einfallenden Störung im Kristallin der Böhmischen Masse, unterhalb der Ostalpen, statt. In dieser Region moderater Seismizität ist das Hauptbeben mit ML = 4.2 ein bedeutsames, und sein Aufschiebungsmechanismus deutet auf eine ∼NE/SW-Orientierung der maximalen horizontalen Kompressionsspannung σH hin.
Im dritten Teil wird die azimuthale Anisotropie von Rayleigh-Wellen untersucht, um die Orientierung des Spannungsfeldes räumlich umfassend und unabhängig zu messen. Azimuthale Anisotropie in der Oberkruste gewährt Einblick in die Spannungsfeldorientierung, da sie stark von der Orientierung fluid-gefüllter Risse in der Kruste abhängt, und daher als Proxy für das Spannungsfeld dienen kann. Westlich und nördlich der Mur-Mürz-Linie werden ∼N/S-Orientierungen von σH beobachtet, die gen Osten in ∼NE/SW-Orientierungen rotieren. Diese Orientierungen des Spannungsfeldes sind konsistent mit dem Herdmechanismus des Alland-Bebens sowie der seismischen Aktivität in der Region im Allgemeinen. In der Unterkruste ist die beobachtete azimuthale Anisotropie vermutlich durch die Einreihung von Kristallen im Laufe krustaler Deformation bedingt, entsprechend der lateralen Extrusion von Blöcken der Ostalpen.
Diese Arbeit präsentiert ein neues Abbild der Kruste, die Herdeigenschaften der Alland-Erdbebenserie und eine neue und unabhängige Messung der Orientierung des Spannungsfelds in der Gegend des Wiener Beckens. Diese Ergebnisse helfen ein besseres Verständnis der Struktur und der tektonischen Prozesse der Region zu gewinnen.
Abstract
(Englisch)
The Earth's outmost layer, the crust, is the medium in which many of the geological processes that are most impactful on society occur, such as damaging earthquakes or the accumulation of natural resources. In the wider Vienna Basin region, crustal structure and present-day stress field are complex due to its tectonic history and have been subject to several studies. Most published tomographic models of the crustal structure provide only rough insight into the distribution of velocities and are often inconsistent with other observables or have low resolution. Our understanding of the regional stress-field is based on either pointwise measurements or modelling and they do not seem to form a clear and consistent picture of the distribution of stresses in the region.
This thesis uses data of the international AlpArray project to shed additional light on these aspects. The seismic network of AlpArray covers the entire Alps with a dense distribution of broadband seismometers over several years and enables new studies that provide new and detailed insights into the geophysical properties of the Earth. The three topics of this thesis aim to improve our understanding of the crustal structure and present-day orientation of the stress field in the wider Vienna Basin region.
First, seismic tomography based on surface waves, which are retrieved from cross correlations of the ambient seismic field, provides a new and detailed image of the shear-velocity structure of the crust. It reveals a deep-seated low-velocity anomaly underneath the Northeastern Vienna Basin, provides new constraints on the deeper crustal structure of the Vienna Basin, and sheds light on the geometry of the European-Adriatic plate interface in the region. It matches well with other observables, such as crystalline basement depths from boreholes, surface geology, and gravity anomaly.
Second, the Alland earthquake sequence of 2016-2017 occurred in the study region in an area that has been seismically quiet over historical times. It occurred ~30km North of the main active fault systems in the region and near the location of the damaging M~6 Neulengbach/Ried am Riederberg earthquake of 1590. The sequence ruptured a NE-dipping fault in the crystalline basement of the Bohemian massif underneath the Eastern Alps. In this region of moderate seismicity, the ML=4.2 main shock is a significant event and its thrust-faulting source mechanism suggests a ~NE/SW-orientation of maximum horizontal compressive stress σH.
Third, to provide an independent and spatially broad measurement of the present-day stress-field orientation, the azimuthal anisotropy of Rayleigh waves is studied as a proxy. Azimuthal anisotropy in the shallow crust provides insight into the stress-field-orientation due to the sensitivity of seismic waves to fluid-filled cracks. In the West, and North of the Mur-M\"urz-Line, ~N/S-orientations of σH are observed that rotate towards ~NE/SW-orientations in the East. These stress-field orientations are consistent with the source mechanism of the Alland sequence and the observed seismic activity in the region in general. In the deeper crust, azimuthal anisotropy may be caused by the alignment of crystals due to crustal deformation and the measured orientations are consistent with the lateral extrusion of blocks of the Eastern Alps.
This thesis provides a detailed image of the crust, the source properties of the Alland earthquake sequence, and a new and independent measurement of the stress-field orientation in the wider Vienna Basin region. These results help to better understand the structure and tectonic processes in region.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Vienna Basin Eastern Alps Crustal Structure Stress Field Seismology Earthquake Tomography Anisotropy
Schlagwörter
(Deutsch)
Wiener Becken Ostalpen Struktur der Kruste Spannungsfeld Seismologie Erdbeben Tomographie Anisotropie
Autor*innen
Sven Erik Schippkus
Haupttitel (Englisch)
Seismological contributions on the crustal structure and stress field in the wider Vienna Basin region from AlpArray
Paralleltitel (Deutsch)
Seismologische Beiträge zu Struktur der Kruste und Spannungsfeld in der Gegend des Wiener Beckens durch AlpArray
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
viii, 129 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Eduard Kissling ,
Kurt Stüwe
AC Nummer
AC15723651
Utheses ID
53609
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 416 |