Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/8606
Title: The geodynamics of the Mediterranean in the framework of the global asymmetric Earth: evidences from seismological and geophysical methods
Authors: Brandmayr, Enrico
Keywords: geodynamicsmediterraneannon-linearinversionshear-wave-velocitydensitymodel
Issue Date: 19-Apr-2013
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: La tesi presenta l'estensione ed il raffinamento del modello cellulare tridimensionale della crosta e del mantello superiore dell'area centrale mediterranea e propone una interpretazione geodinamica del suddetto modello nel contesto della asimmetria globale della tettonica delle placche. Il modello cellulare è espresso in termini di velocità delle onde di taglio (VS) e di spessore e densità degli strati, fino ad una profondità di 350 chilometri. Tali proprietà caratterizzanti gli strati sono ottenute mediante avanzate tecniche di inversione non lineare, quali l'inversione con il metodo hedgehog di curve di dispersione delle velocità di gruppo e di fase per la determinazione delle VS e l'inversione non lineare di dati gravimetrici mediante il metodo GRAV3D. Il metodo hedgehog consente la definizione di un insieme di modelli strutturali senza fare ricorso ad alcun modello a priori, considerando la VS e lo spessore degli strati come variabili indipendenti. Data la ben nota non unicità del problema inverso, la soluzione rappresentativa di ogni cella è determinata per mezzo dell'applicazione di algoritmi di ottimizzazione ed è inoltre validata alla luce di dati geologici, geofisici e petrologici indipendenti, in particolare la distribuzione della sismicità, sia passata, ottenuta dai bollettini internazionali, sia presente, ottenuta mediante inversione non lineare dei meccanismi focali. Le proprietà delle sorgenti sismiche sono state studiate utilizzando la metodologia INPAR per l'inversione di forme d'onda complete di periodo relativamente corto (fino a 10 s), che permette la determinazione realistica del tensore momento sismico in particolare per eventi poco profondi. Questa metodologia si rivela particolarmente utile nelle aree caratterizzate da eventi di moderata magnitudo, dove le tecniche globali standard non possono in genere venire applicate. Il metodo INPAR fornisce inoltre risultati attendibili anche quando sono disponibili soltanto pochi segnali registrati da un numero limitato di stazioni. L'inversione gravimetrica è stata vincolata alla geometria degli strati definita dal modello VS ottenuto dai dati sismologici. Ai dati gravimetrici di input è applicato un rumore gaussiano con ampiezza di 1,5 mGal. Al fine di non imporre a priori l’esistenza di decrementi della densità al crescere della profondità, il modello di densità di riferimento utilizzato come input dell’inversione consiste, per tutte le celle, in un modello di densità crescente o costante con la profondità, che soddisfa, entro i valori di incertezza, la relazione di Nafe-Drake. Le anomalie ottenute dal processo di inversione gravimetrica vengono poi trasformate in valori assoluti di densità riferiti al modello di riferimento. Il modello tridimensionale così ottenuto, analizzato e discusso lungo sezioni perpendicolari ai complessi orogenetici dell'area di studio (Appennini, Alpi, Dinaridi) conferma l'esistenza di profonde asimmetrie strutturali tra le subduzioni est e ovest-vergenti e la presenza di litosfera sottile nell'area estensiva del bacino Tirrenico, che sovrasta una zona a bassa velocità (LVZ) indicativa della presenza di vaste aree magmatiche o di fusione parziale, probabile sede di un flusso del mantello verso est. Tale flusso è possibile causa dell'asimmetria riscontrata tra la subduzione appenninica, quasi verticale, e la subduzione alpina e dinarica, caratterizzata da un basso angolo di immersione. Ulteriore ed inaspettata caratteristica del modello è rappresentata dal fatto che la litosfera in subduzione risulta essere meno densa del mantello circostante. Tale risultato apre la strada a nuove interpretazioni riguardo alla dinamica delle zone di subduzione, che nella sua descrizione ortodossa vede come fattore determinante il fenomeno dello slab pull. La tesi si articola in un capitolo introduttivo iniziale dove viene esposta l'ipotesi della asimmetria della tettonica delle placche, con particolare riferimento alle evidenze in area mediterranea, mentre nei capitoli successivi vengono presentati i risultati del modello in VS e densità ottenuto a differenti scale risolutive. Tali risultati sono poi discussi, con l'ausilio di sezioni interpretative lungo profili significativi, alla luce di evidenze indipendenti con l'intento di delineare un quadro geodinamico coerente dell'area di studio. In Appendice, unitamente alla presentazione dei risultati tabulati, sono approfondite alcune tematiche particolari.
This thesis presents the extension and refinement of the 3D cellular model of the crust and upper mantle of the central Mediterranean and offers a geodynamic interpretation of the obtained model in the framework of the global asymmetry of plate tectonics. The cellular model is expressed in terms of shear waves velocity (VS), thickness and density of the layers, to a depth of 350 kilometers. These physical properties are obtained by means of advanced non-linear inversion techniques, such as the hedgehog inversion method of group and phase velocity dispersion curves for the determination of VS and the non-linear inversion of gravity data by means of the method GRAV3D. The hedgehog method allows the definition of a set of structural models without resorting to any a priori model, considering the VS and the thickness of the layers as independent variables. Given the well-known non-uniqueness of the inverse problem, the representative solution of each cell is determined through the application of optimization algorithms and is also validated with the use of independent geological, geophysical and petrological data, e.g. the distribution of historical and recent seismicity, obtained from international bulletins and by non-linear inversion of focal mechanisms. The properties of the seismic sources have been studied using the INPAR methodology for the inversion of complete waveforms at relatively short period (as short as 10 s), that allows the determination of the realistic seismic moment tensor in particular for shallow events. This methodology is very useful in areas of moderate magnitude events, where generally the global standard techniques can not be applied. The INPAR method also provides reliable results even using few signals recorded by a limited number of stations. The gravimetric inversion has been constrained to the geometry of the layers defined by the VS model obtained from the inversion of seismological data. A Gaussian noise with an amplitude of 1.5 mGal has been applied to the gravimetric data input. In order not to impose a priori the existence of the density decreases with increasing depth, the reference density model used in the inversion consists, for all the cells, in a model of increasing or at least constant density with depth, which satisfies, within the range of uncertainty, the Nafe-Drake relation. The density anomalies obtained by the gravimetric inversion process are then transformed into absolute values relative to the reference model. The three-dimensional model thus obtained, analysed and discussed along selected sections perpendicular to the orogenic complexes of the study area (Apennines, Alps, Dinarides) confirms the existence of deep structural asymmetries between E- and W-directed subductions and the presence of a thin lithosphere in the extensional area of the Tyrrhenian basin, which overlies a low velocity zone (LVZ) indicative of the presence of large amount of magma or partial melting, where an eastward mantle flow is likely present. This flow possibly causes the asymmetry found between the almost vertical Apenninic subduction and the Alpine-Dinaric subduction, which is in turn characterized by a low dip angle. Further and unexpected feature of the model is the fact that the subducting lithosphere turns out to be less dense than the surrounding mantle. This result opens the way to new interpretations in subductions dynamics, which in its common description relies on the slab pull phenomenon as a first order acting force. The thesis consists of an introduction where the hypothesis of the global asymmetry of plate tectonics is addressed, with particular attention to the Mediterranean context, while in the Chapters 2, 3 and 4 are presented the VS and density models obtained at different resolution scales. These results are then discussed in the Chapter 5, with the aid of interpretive sections along significant profiles, in the light of the validation though independent data, aiming to establish a coherent geodynamic picture of the study area. In the Appendixes, together with the presentation of the tabulated results, some particular topics are discussed.
Description: 2011/2012
URI: http://hdl.handle.net/10077/8606
NBN: urn:nbn:it:units-10040
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