Μελέτη δομής του ανώτερου μανδύα στο Αιγαίο μέσω της διασποράς των σεισμικών επιφανειακών κυμάτων

Abstract

The plate boundary region between Africa and Eurasia is considered a slow convergence zone between continents. Within the frame of the African lithosphere active subduction process, the Aegean region is continuously deformed, thus leading to complex deformational patterns at the surface and an equally complex structure of the underlying upper mantle. A great number of geophysical and seismological studies have been earned out in the area, in order to interpret the complexity of its geodynamic regime and the majority of those concern processes constrained within the crust and uppermost mantle. Several studies, focused on the deeper lithosphere and upper mantle structure are based mainly on body wave information. Only a few studies are based on surface waves, been however of limited resolution In 1997, a temporary broadband network of 27 stations was installed in the Aegean area for 6 months and recorded 423 teleseismic earthquakes with M>5. Fundamental mode Rayleigh waveforms were analyzed for 12 stations, in order to calculate phase velocities over the period range 10-100 sec. The two-station method was applied and 274 reliable dispersion curves were estimated, concerning 31 interstation pathways. The average dispersion function shows low phase velocities for the period range 30-100 sec compared to Tectonic Europe reference data, implying probably an upper mantle partial melting, related to the high thermal flow observed throughout the area. Phase velocity perturbations, calculated with respect to the average dispersion curve, lie within the range of ±35% and show lateral heterogeneity of the elastic medium over the studied period range. Major geotectonic features appear in good agreement with phase velocity anomalies, implying continuous in depth deformation of the lithosphere and subsequently deep, mantle roots for the evolution of the area. In order to determine the shear wave velocity structure of the upper mantle, the stochastic least squares inversion method was applied. Direct and inverse problem resolved for the mean experimental dispersion function of the area, yielded a proper initial shear velocity model, the sensitivity-resolution restrictions within a depth range 20-180 km and an average shear velocity model. The average model reveals low uppermost mantle velocities, a Moho depth at about 30 km and the top of the asthenospheric channel at about 100 km depth. Results from the inversion of 31 individual average interstation phase velocities dispersion curves demonstrate a complex image of the elastic medium. The most important features associated with high velocities concern, a 35°NE dipping zone interpreted as the active subduction of the African lithosphere, a zone in northern Aegean dipping 35°E, interpreted as a possible old subducted lithosphere and the North Aegean Trough Low shear velocities appear above the two subducted zones, which may account for the intense extensive crustal deformation and volcanism (present and recent) in the area.

Το όριο μεταξύ των λιθοσφαιρικών πλακών Αφρικής και Ευρασίας θεωρείται μια ζώνη όπου λαμβάνει χώρα αργή σύγκλιση μεταξύ ηπείρων. Στο πλαίσιο της διεργασίας ενεργούς βύθισης της Αφρικανικής λιθόσφαιρας, η περιοχή του Αιγαίου παραμορφώνεται υπό τύπο συνεχή, οδηγώντας έτσι σε ένα σύνθετο μοτίβο παραμόρφωσης στην επιφάνεια και σε μια επίσης σύνθετη δομή του υποκείμενου ανώτερου μανδύα. Πλήθος γεωφυσικών και σεισμολογικών μελετών έχουν διεξαχθεί στην περιοχή, με σκοπό την ερμηνεία της πολυπλοκότητας του επικρατούντος γεωδυναμικού καθεστώτος. Η πλειονότητα αυτών των εργασιών περιορίζεται στο φλοιό και στον ανώτατο μανδύα. Αρκετές μελέτες που αφορούν στη βαθύτερη λιθόσφαιρα και στον ανώτερο μανδύα βασίζονται κυρίως στα σεισμικά κύματα χώρου. Κάποιες μελέτες που βασίζονται σε επιφανειακά κύματα, παρουσιάζουν περιορισμένη διακριτότητα. Το 1997, ένα προσωρινό δίκτυο 27 ψηφιακών σεισμολογικών σταθμών ευρέος φάσματος εγκαταστάθηκε στην περιοχή του Αιγαίου και κατέγραψε 423 τηλεσεισμούς με μεγέθη Μ>5. Αναλύθηκαν σεισμογραφήματα της θεμελιώδους αρμονικής των κυμάτων Rayleigh για 12 σταθμούς του δικτύου, προκειμένου να υπολογισθούν φασικές ταχύτητες για περιόδους 10-100 sec. Μέσω της μεθόδου των δύο σταθμών υπολογίσθηκαν 274 αξιόπιστες καμπύλες διασποράς, οι οποίες αφορούν σε 31 διαδρομές στην περιοχή. Η μέση συνάρτηση διασποράς χαρακτηρίζεται από χαμηλές ταχύτητες για περιόδους 30-100 sec, σε σχέση με δεδομένα αναφοράς της Τεκτονικής Ευρώπης, υποδηλώνοντας πιθανά μερική τήξη του ανώτερου μανδύα, η οποία σχετίζεται με την παρατηρούμενη αυξημένη θερμική ροή στην περιοχή. Οι διαταραχές της φασικής ταχύτητας, οι οποίες υπολογίσθηκαν σε σχέση με τη μέση καμπύλη διασποράς, μεταβάλλονται μεταξύ ±3% και δείχνουν πλευρική ετερογένεια του ελαστικού μέσου για όλο το εύρος των εξεταζόμενων περιόδων. Κύρια γεωτεκτονικά χαρακτηριστικά παρουσιάζουν συνάφεια με ανωμαλίες της φασικής ταχύτητας, υποδηλώνοντας τη σε βάθος παραμόρφωση της λιθόσφαιρας και συνακόλουθα βαθιές, μανδυακές ρίζες για τη γεωλογική εξέλιξη της περιοχής. Για τον προσδιορισμό της δομής ταχύτητας εγκαρσίων κυμάτων του ανώτερου μανδύα, εφαρμόστηκε η μέθοδος στοχαστικής αντιστροφής ελαχίστων τετραγώνων. Η επίλυση του ευθέος και αντίστροφου προβλήματος για τη μέση συνάρτηση διασποράς απέδωσε ένα κατάλληλο αρχικό μοντέλο ταχυτήτων, τους περιορισμούς ευαισθησίας-διακριτότητας για το βάθος 20-180 Km και ένα μέσο μοντέλο ταχύτητας εγκαρσίων κυμάτων. Το μέσο μοντέλο ταχύτητας χαρακτηρίζεται από χαμηλές ταχύτητες ανώτατου μανδύα, ενώ το μέσο βάθος της ασυνέχειας Moho και της κορυφής του ασθενοσφαιρικού διαύλου προσδιορίστηκαν στα 30 και 100 Km αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα της αντιστροφής 31 μέσων μεμονωμένων καμπύλων διασποράς υποδεικνύουν μια πολύπλοκη εικόνα για το ελαστικό μέσο. Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με υψηλές ταχύτητες αφορούν μια ζώνη με κλήση 35°ΒΑ, η οποία ερμηνεύεται ως η βυθιζόμενη αφρικανική λιθόσφαιρα, μια ζώνη στο βορειοδυτικό Αιγαίο με κλίση 35°Α, η οποία ερμηνεύεται ως μια πιθανή παλαιά βυθισμένη λιθόσφαιρα και την Τάφρο του Βορείου Αιγαίου. Χαμηλές ταχύτητες εμφανίζονται πάνω από τις δύο βυθισμένες ζώνες, οι οποίες είναι ενδεχομένως υπεύθυνες για την έντονη εφελκυστική παραμόρφωση του φλοιού και την ηφαιστειότητα (σημερινή και πρόσφατη) στην περιοχή.