Upper mantle structure of fennoscandia by finite-frequency body-wave tomography: Analysis and geodynamic implications
Sonlu-frekans cisim dalgası tomografi yöntemiyle fenno-iskandinavya'nın üst manto yapısı: Analiz ve jeodinamik çıkarımlar
- Tez No: 743995
- Danışmanlar: PROF. DR. HANS THYBO
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Jeofizik Mühendisliği, Geophysics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Avrasya Yerbilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Jeodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Fenno-İskandinavya, jeolojik ve jeofizik yöntemlerle üzerinde çok çalışılan fakat jeolojik ve tektonik olarak henüz net olarak anlaşılamamış bir bölgedir. Bu çalışmada yoğunlaşılan bölge olan İskandinav yarımadasındaki pasif kıta kenarı boyunca yüksek topografyanın nedenleri ve oluşum mekanizması hakkında çok sayıda teori bulunmaktadır. Bu teorilerden en önemli ikisi şunlardır: (1) Yüksek topografya yaşlı ve Kaledonya orojenezinden beri (antik orojenez kalıntısı olarak) vardır. (2) Topografya gençtir ve derin termal veya diğer jeodinamik süreçlerle ilgilidir. Bu çalışmada bölgedeki derinlik ve yüzey yapıları arasındaki ilişkiyi sismoloji kullanarak incelemekteyiz. Daha önceki çalışmalardan elde edilen sonuçların da ışığında, telesismik dalga varışlarının tomografik ters çözümüne dayalı olarak Fennoscandia'daki üst manto yapısı hakkında yeni bir yorum getirilmesi amaçlanmaktadır. Bu doktora çalışması, uluslararası birçok üniversite ve kurumun işbirliği içinde çalışmalar yürüttüğü ScanArray projesinin bir parçasıdır. Çalışmada, geniş bantlı sismolojik verilerden faydalanılarak sismik tomografi yöntemiyle İskandinavya bölgesinin (Norveç, İsveç, Finlandiya) üst manto sismik hız yapısının izlenmesi ve Kuzey Atlantik Okyanusu ve çevresinin dinamik topografya ve batimetrisi hakkında katkı sağlanması planlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, kabuk ve litosferin izostatik denge durumu hakkında ve dinamik kuvvetlerin bölgedeki yüksek topografyayı aktif olarak destekleyip desteklemediğini test etmek için dolaylı yoldan bilgi sağlayacaktır. 2012-2017 yılları arasında 174 geniş bantlı sismik istasyondan toplanan, dış merkez uzaklıkları 30°-104° arasında değişen, 5.5 ve üzeri büyüklükteki telesismik depremlerden yayılan P-dalgaları kullanılmıştır. 74,057 adet seyahat süresi rezidüeli ters çözümde kullanılarak üst mantodaki cisim dalgası hız pertürbasyonları 50-800 km derinlikleri arasında hesaplanmıştır. Yeni P-dalgası sismik hız yapısı modeli, seyahat süresi rezidüellerine dayalı sonlu-frekans cisim dalgası tomografisi ile türetilmiştir. Sonuçlar, Kuzey Atlantik bölgesinin genel tektonik ve jeolojik evrimi çerçevesinde nedeni hala kesinliğe kavuşturulamamış topografyadan sorumlu mekanizmaların anlaşılmasına katkıda bulunabilecek yüksek çözünürlüklü bir sıcaklık ve jeolojik bileşim anomalileri modelinin türetilmesi için bir temel sağlamaktadır. Sonuçlar, derin litosferik yapı ile yüzey/kabuk jeolojisi arasındaki bağlantıyı daha da aydınlatabilir; litosferik kabuğun ve mantonun oluşumlarından bu yana bir arada kalıp kalmadığını, tektonik veya diğer dinamikler nedeniyle ayrılıp ayrılmadığını gösterebilir. Baltık Kalkanı, Doğu Avrupa Kratonunun kuzeybatı kısmıdır. Günümüzde Baltık Kalkanı, Geç Proterozoyik'te süper kıta Rodinya'dan ayrılan eski Baltika Plakasının büyük bir kısmını içerir. Paleozoik ortasında Iapetus Okyanusu'nun kapanmasından sonra Baltika ve Laurentia arasındaki çarpışma, 440 ila 410 My civarında büyük Kaledonya orojenezi ile sonuçlanmıştır. Erken Eosen'de (55 My) Atlantik Okyanusu'nun açılması sırasında Kaledonya dağ kuşağı parçalara ayrılmıştır, günümüzde bu parçalar Fenno-İskandinavya, İskoçya, İrlanda, Svalbard, doğu Grönland ve Kuzey Amerika'nın doğusunda gözlemlenmektedir. Okyanus oluşumuna, Kuzey Atlantik Magmatik Bölgesinde (NAIP), doğu-orta Grönland ve Faroe Adaları çevresinde büyük volkanik aktiviteler ile birlikte geniş bir magmatizma eşlik etmiştir. Açılma, Kuzey Atlantik'in her iki tarafında Norveç ve Grönland kıyıları boyunca geniş kıta sahanlıklarının oluşumuna yol açmıştır. Baltık Kalkanı, Svecofennian (2.0-1.75 Ga), Sveconorwegian (1.25-0.9 Ga) ve kuzeydoğudaki Arkeyan (3.1-2.6 Ga) bölümünü birleştiren bir dizi kıta formasyonlarından oluşur. Trans-İskandinavya Magmatik Kuşağı (1.81-1.65 Ga), güneydoğu İsveç'ten kuzeybatı Norveç'e uzun batolitlerle geniş bir alanı kapsar. Proterozoik Rapakivi granitleri (1.65-1.54 Ga) güneydoğu Fennoscandia'da kalır. Kıta içi İskandinavya dağ zinciri, Baltık Kalkanının batı ucunda, pasif kıta kenarında uzanan, olağandışı özelliklere sahip eski bir Paleozoyik dağ kuşağıdır. Mevcut günümüz İskandinav dağ silsilesi esas olarak deforme olmuş Kaledonya ve Sveconorwegian bölgelerinde bulunur, Norveç kıyısı boyunca iki bin kilometreden fazla uzanır ve rakımı yaklaşık 2500 metreye ulaşır. Genel varsayımların aksine, antik İskandinav Kaledonya Dağları ve modern İskandinav dağları aynı yapılar değildir, fakat bu antik ve modern dağ silsileleri arasında bir örtüşme vardır. Eski Kaledonya orojenezi şu anda İskandinav Dağları'nda gözlenen ana kayadır ve kalıntıları batı kesimde kısmen Fenno-İskandinavya'yı örtmektedir. Sismik tomografi yöntemi, yerkürenin derinliklerindeki yapılara ait, verilerin anlık haritasını çıkaran ve uzun vadeli yapısal oluşumun anlık göstergesi olabilecek hız anomalilerini sağlayan, en çok tercih edilen jeofizik yöntemlerden biridir. Bölgesel cisim dalgası tomografisinde Aki, Christofferson ve Husebye'nin baş harflerinden oluşan ACH yöntemi, sadece bağıl seyahat süresi rezidüllerini kullanan tomografik ters çözüm yöntemidir. Hız kontrastları (bağıl seyahat süreleri) tüm çalışma hacminin ortalama dalga hızına göre hesaplanır, dolayısıyla ortaya çıkan bağıl seyahat sürelerini küresel referans hız modelleri ile karşılaştırmak mümkün değildir. Telesismik cisim dalgası tomografi yönteminin litosfer ve üst manto yapısını incelerken iki önemli sınırlaması vardır: (1) Mutlak hızlar hakkındaki bilgi eksikliği, (2) sismik ağın altındaki sığ yapının çözünürlüğünün olmaması. Mutlak hızların bilinmemesi bir sınırlama olarak görülebilse de, bu yöntemde ters çözüm uygulanacak hedef hacmin dışındaki hız değişimlerinin etkisi (örn. kaynak ve hedef hacim arasındaki belirsizlikler) sabit kabul edidiğinden, büyük ölçekli heterojenitenin etkisi ortadan kaldırılmış olur ve gelen ışının yalnızca ters çözülmüş belirli bir kısmı kalır. Sismik dalga frekans içeriklerinin farklı ölçeklerdeki yer altı yapılarına duyarlı olduğu dikkate alınarak bağıl seyahat süreleri iki dar frekans bandında ölçülmüştür. Işın teorisinden farklı olarak, sonlu-frekans teorisinde, ışını çevreleyen ortam, ışın hızını etkilerken tüm ışın yolu boyunca da Fresnel zonunun şeklini tanımlar. Frechet çekirdeği telesismik P-dalgası için uzun periyot bantlarında artan derinlikle birlikte yüksek çözünürlük sağlamaz fakat yatay düzlemde daha geniş bir alanda çözünürlük sağlar; kısa periyot bantları ise görece daha yüksek çözünürlük sağlar. Genel olarak sonlu-frekans yöntemi diğer telesismik ters çözüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında üst mantoda daha yüksek çözünürlük sağlar. Tomografi modellerinin kalitesi doğrudan seyahat süresi rezidüellerine bağlıdır, dolayısıyla bağıl seyahat sürelerinin doğru kestirimi oldukça önemlidir. Bölgesel cisim dalgası tomografi yönteminde, modelin kabuk kısmı çözümlenemediğinden kabuğun varış süreleri üzerindeki etkisi ortadan kaldırılmalıdır. Bu doğrultuda, bağıl seyahat süresi rezidüellerinin kestirimine başlamadan önce frekans bağımlı kabuk düzeltmesi ve kabuk düzeltmesinin yanı sıra, yerkürenin şeklinden dolayı eğri ışın yollarının dikkate alındığı eliptik düzeltme uygulanmıştır. Veri işlem prosedürü, temel olarak iki ana akış ve bunların alt basamaklarından oluşmaktadır. İlk veri işlem akışında, Fortran ve Matlab tabanlı algoritmalarla, sonlu-frekans bağıl seyahat süresi rezidüelleri kestirilmiştir. Bu prosedür beş adımdan oluşmaktadır: (1) Sinyaller ortak bir örnekleme hızına, trende ve ofsete göre yeniden örneklenir ve alet tepkisi kaldırılır. Sıfır fazlı Butterworth filtresi, istenen frekans aralıkları için uygulanır. Yüksek ve düşük frekans bantları sırasıyla 0.5-2 Hz (2-0.5 s) ve 0.03-0.125 Hz (33-8 s)' dir. Sismogramlar, küresel simetrik, kıtasal, tek boyutlu yer hızı modeli ak135 için taup Matlab uygulaması tarafından hesaplanan teorik varış süreleri etrafında pencerelenir. (2) Her istasyonun altındaki kabuk etkisi, en derin Moho derinliği olan 61 km derinliğe kadar kaldırılır. (3) Yüksek gürültü seviyeli veya hatalı olması muhtemel çok büyük veya küçük genliğe sahip sismogramlar elenir. (4) Bağıl seyahat sürelerini, bağıl seyahat süresi rezidüellerini ve bunların belirsizliklerini elde etmek için izler arasında çapraz ilişki teknikleri kullanılır. İlksel rezidüel tahmini için ilk olarak Yinelemeli Çapraz İlişki ve Yığma (ICCS) algoritması uygulanmıştır. (5) Son adımda, bağıl seyahat sürelerini ve nicel belirsizliklerini hesaplamak için ICCS tarafından hizalanan izlere Çok Kanallı Çapraz İlişki (MCCC) yöntemi uygulanır. Her iz ile ilişkili rezidüellerin standart sapması, zamanlama belirsizliğidir ve belirsizlik, P-dalgası bağıl seyahat süresi rezidüellerinin ters çözümünde kullanılan önemli bir değişkendir. İkinci veri işlem akışında, bir önceki akışta kestirilen bağıl seyahat süresi rezidüelleri ve standart sapmalar üzerine ağırlıklı ters çözüm uygulanarak ortalamaya göre yüzde sapma cinsinden sismik hız modeli elde edilmiştir. Kafes küp, 129 (27+1) x 65 (26+1) x 33 (25+1) = 276,705 adet düğüm noktası kullanılarak, yatayda ~19 km, düşeyde 23 km aralıklarla, 50-800 km derinlikleri arasında oluşturulmuştur. Model parametreleri, her bir düğüm noktasında sönümlü en küçük kareler çözümü kullanılarak ters çözüme sokulmuştur. Seyahat süresi rezidüelleri, yerkürenin izotropik olduğu varsayımıyla ters çözülmüştür. En doğru sismik hız modelini elde etmek amacıyla, kafes kübün toplam düşey boyutu, ızgara aralıkları, sönümleme, ağırlıklandırma ve gürültü seviyeleri gibi bir dizi parametreyi ters çözümde test ettik. Hız anomalilerinin güvenilirliği, model aralığını sınırlandıran sönümleme ve ağırlıklandırma parametrelerine bağlıdır. Sönümleme, model varyansıyla veri uyumsuzluğu işlevini kontrol eden kritik bir ters çözüm parametresidir ve bu çalışmada %52 olarak bulunmuştur. Araştırma alanımızın büyük olması çıkan bu değeri negatif yönde etkilemesine rağmen sonuç kaydadeğerdir. Ters çözüm tekniğinin veri setini çözme gücünü test etmek amacıyla sentetik modeller kullanılarak güvenilir bir çözünürlük testinin uygulanması gerekir. Bağıl hız modelinin, verilen kaynak-alıcı geometrisi, frekans bantları ve gözlemlenen veriler için ne kadar başarılı bir şekilde çözüldüğünü anlamak için geleneksel dama tahtası ve model güdümlü çözünürlük testleri uygulanmıştır. Sentetik modellerin hız pertürbasyonları ±%4 olarak seçilmiştir. Sonuçları genel olarak değerlendirdiğimizde üst mantonun yüksek çözünürlüklü P-dalga hızı modeli ortaya çıkmıştır. Ortaya çıkan hız salınımları ±%6 arasında değişmektedir. Keskin hız kontrastları, sığ ve derin Norveç'teki (İskandinav dağları) yapısal farklılığın ve Norveç ile İsveç (İskandinav dağları ile Baltık Kalkanı) arasındaki basamak hız geçişini bir kez daha doğrulamaktadır. Güçlü anomali kontrastları, Fenno-İskandinavya'nın üst mantosunu karakterize etmektedir ve İskandinav yarımadasının ve çevresinin tektonik ve jeolojik evriminin anlaşılmasına yardımcı olmaktadır. Sonuçlarımız kısaca şu şekilde verilebilir: (1) Fenno-İskandinavya üst mantosu yanal mesafelerde 300 km uzanıma varan güçlü hız kontrastları (>%6) göstermektedir. (2) İskandinav dağları ve Norveç kıyılarında dinamik topografya önerilmemekle birlikte, Kaledonya orojenik kuşağının altındaki güçlü düşük hız anomalilerinin, günümüz İskandinav dağ kuşağının yüksek topografyasının nedeni olabileceğini; bunun da geçiş zonu (410-660 km) üzerinde daha sığ bir derinlikte, kısmen düşük yoğunluklu, düşük hızlı ve yüksek sıcaklıklı malzeme olduğu fikrini destekleyebileceğini öneriyoruz. Orta Fenno-İskandinavya'da 100 km derinliğe kadar hipsometri ve hız anomalileri arasında bu fikri destekleyen doğrusal bir ilişki gözlemlenmiştir. (3) Orta Fenno-İskandinavya'daki olağanüstü yüksek hız anomalilerine bakarak, Arkeyan ve Svecofennian formasyon sınırlarının jeolojik zamanda deformasyona uğrarken, orijinal kratonik çekirdeğin herhangi bir deformasyona uğramadan korunmuş olabileceğini öneriyoruz. (4) Kaledoniyen, Sveconorwegian ve Arkeyan birimlerindeki güçlü negatif anomalilerin altındaki çok yüksek hız, Prekambriyen mantosunun bu formasyonların altında korunmuş olarak kalabileceğini göstermektedir. (5) Önceki çalışmalarla da iyi bir şekilde ilişkilendirilen Güney Baltık Denizi'ndeki güçlü yüksek hız anomalisi, 300 km derinliğe kadar gömülü bir kabuk parçasının varlığını desteklemektedir. Bu çalışmanın özgün değeri bölgesel ve teorik olmak üzere iki farklı boyut altında toplanabilir. Bölgesel olarak, bu çalışma, ScanArray projesinden alınan yeni veriler dahil edildiğinde Fenno-İskandinavya'daki manto yapısının ilk tomografik görüntülerini sağlamaktadır. Teorik olarak, sonlu-frekans tomografi yönteminin bu bölgede ilk kez uygulanması, tomografik ters çözüm ve yorumlama açısından benzersizdir. Önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında daha geniş olan çalışma alanında iyi istasyon uzanımı ve uygulanan tomografi yöntemiyle yaygın etkisi kuvvetli sonuçlar elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Tectonic research on the region around the North Atlantic Ocean, including Fennoscandia (in the northwestern part of the East European Craton) and Greenland has led to several enigmatic questions. Despite numerous studies, theories are debated on the causes of the onshore high topography and off-shore sedimentary basins in the passive continental margins in the region. Here, the results of a seismological study of most of Fennoscandia (the Baltic Shield) based on data which was acquired with a nominal station distance of 50 km is presented. We determine a seismic model of upper-mantle P-wave velocity in order to improve the understanding of the long-term evolution of Fennoscandia, and with the specific objective of testing various models for topographic change in the area. The new velocity model contributes to testing if the crust and lithosphere are in isostatic equilibrium or if dynamic forces actively affect the high topography in the region. The seismic model is obtained by application of a method for finite-frequency body-wave tomography. We use P-waves from teleseismic earthquakes at epicentral distances between 30° and 104° with magnitudes of 5.5 or greater, acquired by 174 broadband seismic stations installed in Norway, Sweden and Finland in variable periods between 2012 and 2017. The model is based on inversion of 74,057 traveltime residuals for P-wave velocity perturbations in the upper-mantle in the depth range between 50 and 800 km. The algorithms used for relative traveltime picking and tomography inversion were rearranged to the specific data set, and an extensive test program was carried out to assess the resolution of the resulting P-wave velocity model. The velocity model shows that up to ±6% anomaly contrasts characterize the Fennoscandian upper mantle. The contrasts are stronger than in previous local and regional/global models. Such strong contrasts are surprising for a cratonic area, and we suggest that this finding is made possible by the use of the finite-frequency method, which has higher resolution power than conventional ray-based methods. We identify very strong low velocity anomalies to ~200 km depth beneath the modern Scandinavian mountain range within the Caledonian and Sveconorwegian orogenic belts. These low velocities may be caused by temperature or compositional contrasts, and they are consistent with the presence of low density material, which may contribute substantially to the high topography. We identify a linear correlation between topography and sub-Moho velocity anomalies in most of central Scandinavia, which provide support to the importance of the low-velocity zone for the high topography. We observe exceptionally high velocity anomalies in the central part of Fennoscandia, which suggests that an original cratonic core has survived modification of the surrounding Archaean and Svecofennian mantle. The model indicates that these very high velocity anomalies extend westward below the low-velocity zone below the high topography, which indicates that the Svecofennian lithospheric mantle is present below Caledonian and Sveconorwegian deformed areas. North-dipping high velocity anomalies in the southwestern Baltic Sea may be related to an ancient subduction zone and a hidden terrane in the crust and uppermost mantle.
Benzer Tezler
- Marmara bölgesi ve çevresinin üst manto yapısının telesismik tomografi yöntemi ile araştırılması
Investigation of upper mantle structure of marmara and its surrounding regions using teleseismic tomography
HİLAL YALÇIN
Doktora
Türkçe
2019
Jeofizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT GÜLEN
- Tek istasyon yöntemi ile Anadolu ve Doğu Akdeniz'de kabuk ve üst manto yapısının incelenmesi
Determination of the crust and upper mantle structure in the Anatolia and the Eastern Mediterranean using the single station method
TİMUR TEZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER ALPTEKİN
- Karadeniz ve civarında kabuk ve üst manto yapısının incelenmesi
Investigation of the crust and upper-mantle structure of the Black Sea and surrounding area
NİLGÜN LÜTFİYE SAYIL
Doktora
Türkçe
1998
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLHAN OSMANŞAHİN
- Analysis of crust and mantle structure across Turkey using passive seismic data
Pasif sismik veriler kullanılarak Türkiye boyunca yerkabuğu ve mantonun analizi
BIZHAN ABGARMI
Doktora
İngilizce
2019
Jeofizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ATİLLA ARDA ÖZACAR
- Eskişehir bölgesindeki genişbant sismik ağı altındaki kabuk yapısının alıcı fonksiyon yöntemi ile tahmin edilmesi.
Estimation of the crustal structure beneath the broadband seismic network by using receiver function method in the Eskisehir region
PINAR DURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaJeofizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASIM OĞUZ ÖZEL