Rifting in the northern Tyrrhenian Sea Basin : a multichannel and wide-angle seismic study

Möller, Stefan

Rifted continental margins or basins are the results of continental lithospheric extension and a fundamental process in geodynamics. Extension is expressed by normal faulting and block rotation in the brittle upper crust and ductile deformation in the lower crust. Conjugate rifted margins are often asymmetric and reveal different amounts of crustal stretching and thinning. Shallow dipping crustal-scale detachment faults are thought to be the controlling mechanism of this asymmetry, although the development of such features is debated. This PhD thesis presents the results of a seismic campaign from the northern Tyrrhenian Sea Basin. It is a continental back-arc basin exhibiting rift features preserved at the early stages of rifting. Two W-E orientated multichannel seismic profiles (MCS) cross the region between Corsica, Sardinia and mainland Italy. The data are processed up to prestack-depth and time migrated images in order to investigate the style of faulting and sedimentary structures. Coincident refraction- and wide-angle seismic data were acquired using OBH-stations. Joint refraction and reflection tomography reveal the crustal architecture and thickness. The MCS image of the northern profile shows that the geometry of upper Tortonian to Early-Pliocene sediments (8-4 Ma) reflects the active rift phase. Fault displacements are localized on major normal faults dipping mainly to the east (30°-40°) forming a succession of asymmetric half-grabens. Major blocks generate the majority of the entire horizontal extension which is estimated to be ~30. Faults seem not to be linked at the brittle-ductile transition zone (~3-4 km). The tomographic model shows, that the crust has thinned from ~24 km to a thickness of ~17 km (β=1.3). The thinning matches the estimated amount of horizontal extension (30%). Towards the southern transect, the width of the basin increases. Seismic data display an asymmetric margin configuration. This is expressed by crustal thinning from ~24 km in the west (Sardinia) to ~11 km in the east (β-factor=2.2). Moreover, the Sardinia Margin comprises large fault-bounded blocks where the crust is relatively thick. Blocks of smaller size are observed further east, where the crust has thinned more. This zone (~100 km wide) is characterized by reduced p-wave velocities which correlates with intensive faulting as imaged on the MCS section. A reliable estimation of the amount of brittle extension is not possible due to the presence of complex small-scale faults. However, the thinning-factor of the lower crust matches the thinning-factor of the entire crust. This implies that the amount of brittle extension should be similar. In this zone, reflections within sedimentary sub-basins are related to basalt flows. A narrow zone with similar characteristics is also observed on the northern line. In the vicinity of the Sardinia Margin, post-rift sediments indicate that tectonism has ceased before Early-Pliocene time, whereas young faults cut the seafloor in the center and in the eastern region (near mainland Italy). The different ages of syn-tectonic sequences indicate an apparent W-E rift propagation. The comparison of both transects shows a NW-SE orientated crustal thinning resulting in mantle exhumation in the Vavilov Basin. Diminishing block sizes and concomitant crustal thinning reflect increasing strain rates in NW-SE direction. The data provide no evidence for potential long-lived detachment faults controlling the development of the asymmetric rift configuration. However, it can be explained by the regional plate-tectonic setting and subduction roll-back. Rifting propagated toward the east, following the retreatment of the subduction zone. The pole of rotation is located north of the basin. Thus, with increasing distance from the pole toward the south, stretching rates increase. This led to the differences of syn-sedimentary ages, block sizes and NW-SE crustal thinning.

Passive Kontinentalränder und Riftbecken sind das Ergebnis gedehnter kontinentaler Lithosphäre und ein fundamentaler geodynamischer Prozess. Extension der spröden Oberkruste ist gekennzeichnet durch Abschiebungen und der Verkippung kontinentaler Blöcke. Die Deformation der Unterkruste findet duktil statt. Häufig wird beobachtet, dass ehemals zusammenhängenden Kontinentalränder durch Asymmetrie gekennzeichnet sind, z.B. durch stark variierende Dehnungsfaktoren. Ein möglicher Mechanismus der zur Erklärung der Variabilität herangezogen wird, ist die Trennung der gesamten Kruste entlang flach einfallenden Störungen. Allerdings ist dies mechanisch umstritten. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse seismischer Messungen im nördlichen Tyrrhenischen Becken. Es handelt sich hierbei um ein kontinentales Randbecken in einem frühen Extensionsstadium, dass durch verkippte Krustenblöcke gekennzeichnet ist. Zwei in W-E Richtung angelegte, reflexionsseismische Profile verlaufen zwischen Corsica, Sardinien und dem italienischem Festland. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Bearbeitung dieser Daten um tiefen- und zeitmigrierte Sektionen zu erstellen auf denen die Abschiebungscharakteristik und sedimentäre Strukturen abgebildet sind. Weiterhin wurden auf denselben Profilen refraktions- und weitwinkelseismische Messungen durchgeführt, die von Ozean-Boden-Hydrophonen registriert wurden. Durch gemeinsame Inversion refraktierter und reflektierter Phasen wurden Geschwindigkeitsmodelle erstellt, die den Aufbau und die Mächtigkeit der Kruste zeigen. Die reflexionsseismischen Sektionen zeigen anhand der sedimentären Ablagerungscharakteristik, dass die aktive Dehnungsphase zwischen dem spätem Tortonium und frühem Pliozän stattgefunden haben muss (8-4 Ma). Der Großteil der gesamten Dehnung im Becken (~30%) wird durch Versätze entlang von Hauptstörungszonen hervorgerufen, die unter einem Winkel von 30°-40° nach Osten einfallen und eine Abfolge asymmetrischer Halbgräben ergeben. Das Krustenmodell zeigt, dass sich die Gesamtkruste von 24 auf 17 km ausgedünnt hat (β-Faktor=1.3). Dies ist betragsgleich zur horizontalen Extension. Weiter südlicher wird das Becken breiter und die Daten zeigen asymmetrische Beckenränder. Dies zeigt sich durch eine Abnahme der Krustenmächtigkeit von ursprünglich 24 km unterhalb Sardiniens auf ein Minimum von 11 km im Osten (β-Faktor=2.2). Weiterhin ist zu beobachten, dass nahe Sardiniens, dort wo die Kruste relativ dick ist, große Krustenblöcke zu finden sind. Zunehmend kleinere Blöcke sind in der Zone von geringerer Krustenmächtigkeit zu finden. Diese ~100 km breite Zone ist außerdem durch eine reduzierte P-Wellen Geschwindigkeit gekennzeichnet. Die reflexionsseismischen Sektionen zeigen, dass dies im Zusammenhang mit stärkerer Bruchbildung steht. Eine Abschätzung von der durch Sprödbruch generierten Extension ist aufgrund der strukturellen Komplexität nicht möglich. Allerdings ist der Ausdünnungsfaktor der gesamten Kruste ähnlich dem der unteren Kruste. Dies lässt darauf schließen, dass die spröde Oberkruste ähnlich stark gedehnt wurde. Starke Reflexionen innerhalb dieser Zone können auf basaltische Schichten zurückgeführt werden. Eine ähnliche Zone, allerdings von geringerer Ausdehnung, existiert ebenso auf dem nördlichen Profil. Seewärts von Sardinien zeigen ungestörte Sedimentablagerungen, dass die Rift-Phase vor dem frühen Pliozän inaktiv wurde. Im Zentralteil und im Osten sind allerdings junge Abschiebungen zu finden, die durch einen Versatz des Meeresbodens gekennzeichnet sind. Die unterschiedlich alten syn-tektonischen Sedimente zeigen das Fortschreiten das Rifts in Richtung Osten an. Der Vergleich beider Profile zeigt eine NW-SE orientierte krustale Ausdünnung. Dies spiegelt einen zunehmenden Spannungszustand wider, der schließlich zur Freilegung des oberen Mantels im südlich gelegeneren Vavilov-Becken führt. Die seismischen Daten geben keinen Hinweis für anfänglich existierende und großräumige Störungszonen, die die Ursache für die asymmetrische Entwicklung des Beckens sind. Die strukturellen Unterschiede können jedoch anhand der platten-tektonischen Situation erklärt werden. Das Becken entwickelte sich ostwärts aufgrund der Verlagerung der Subduktionszone. Da sich der Rotationspol nördlich des Beckens befindet, nehmen mit zunehmender Entfernung in Richtung Süden die Streckungsraten zu. Dies führt zu den unterschiedlichen syn-sedimentären Ablagerungen, die Abnahme der Blockgrößen und die NW-SE ausgerichtete Krustenausdünnung.

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Möller, Stefan: Rifting in the northern Tyrrhenian Sea Basin. a multichannel and wide-angle seismic study. 2013.

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