Accuracy and resolution of a 3D seismic model of the Eastern Alps

Abstract

Die vorliegende Dissertation widmet sich der Erstellung eines seismischen 3-D Modells der östlichen Ostalpen und ihres Umfeldes, abgeleitet aus Daten neuester 3-D Weitwinkel - Refraktions- und Reflexionsmessungen (3-D WAR/R). Eine neue Methodik wird angewandt, welche darauf abzielt, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.<br />Analog zur Vorgangsweise in der Explorationsseismik dient als Grundlage die Stapelung im Zeit - Offset - Bereich. Für die Anwendung auf 3-D WAR/R - Daten müssen spezielle Algorithmen für die Stapelung sowie für die anschließende Inversion entwickelt werden. Die Ergebnisse der Stapeltechnik sind die dreidimensionale Verteilung der P-Wellen-Geschwindigkeit der Kruste, die Geschwindigkeitsverteilung im obersten Mantel sowie Darstellungen der Krusten - Mantelgrenze (Moho). Diese Modelle werden auf ihre Auflösung und Genauigkeit untersucht. Zusätzlich werden zu Vergleichszwecken ähnliche Modelle aus Laufzeiten der Original-Seismogramme generiert. Die Modelle aus beiden Ansätzen weisen eine gute Übereinstimmung auf.<br />Die Inversion gestapelter Daten führt zu robusten Modellen und zu höherer Überdeckung, bei gleichzeitig geringerer Genauigkeit und Auflösung. Die Modelle aus beiden Ansätzen werden zusammengeführt, um von den Vorteilen beider Methoden zu profitieren.<br />Das endgültige seismische Modell korreliert mit bekannten tektonischen und geologischen Strukturen und weist auf etliche neue Merkmale hin. Die Krustengeschwindigkeit variiert stark und erlaubt neue Einblicke in die mittlere und tiefe Kruste. Die Moho-Tiefen im Untersuchungsgebiet bewegen sich zwischen 24 km in der Pannonischen Region und 51 km in den Zentralalpen. Am wichtigsten erscheint jedoch die Feststellung einer Fragmentierung der gesamtem Krusten- und Moho-Struktur im Untersuchungsgebiet in vier Teile. Ein neues Fragment stellt dabei "Pannonia" dar, welchem eine wesentliche Rolle in der geodynamischen Entwicklung des ostalpinen Raumes zukommen könnte.<br />

This thesis introduces a 3-D seismic model for the Eastern Alps and their surroundings based on data from recent large-scale seismic experiments. A new approach for processing 3-D WAR/R data is presented.<br />The method aims to increase the signal to-noise (S/N) ratio and is based on stacking of the seismic traces in the time-offset domain. For the application to 3-D WAR/R data new algorithms were implemented for stacking and for the inversion. A 3-D model of the P-wave velocity of the crust has been calculated.<br />Further, a velocity map of uppermost mantle and maps of the crust - mantle boundary have been compiled. These models are compared to models derived by traditional 3-D inversion methods based on travel times obtained from single-fold traces. Models from both approaches are combined in order to benefit from the advantages of both representations of the data. The results correlate with geological structures and show new prominent features in the Eastern Alps and their surroundings. The velocity distribution correlates with tectonic units on different scales and provides new images at mid and lower crustal levels. The Moho depth varies strongly in the range between 24 km in the western Pannonian Domain to 51 km in the central part of the Eastern Alps. The crustal structure in the investigated area appears to be fragmented into four distinctive parts, and the new fragment "Pannonia" is introduced. Its existence may be an important factor for a better understanding of the geodynamic history of the Eastern Alps.