تصویربرداری سه‌بُعدی پوسته البرز مرکزی با استفاده از زمین‌لرزه‌های محلی به روش توموگرافی

نویسندگان

1 پژوهشکدة مهندسی جهاد کشاورزی، تهران، ایران

2 مؤسسة ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق با استفاده از توموگرافی زمین‌لرزه‌های محلی، تصاویر سه‌بُعدی زیرسطحی مطلوبی از پوسته البرز مرکزی به‌دست آمده است. تصاویر به‌دست آمده نه فقط با تحلیل‌های زمین‌ساختی منطقه همخوانی دارند، بلکه توپوگرافی موهو و ساختار پوسته زیرین کوه آتشفشانی دماوند را تفسیر می‌کنند. برای به تصویر کشیدن پوستة البرز مرکزی بیش از 11000 زمین‌لرزه محلی با بزرگای بیشتر از 7/1 مربوط به لرزه‌نگار‌هایِ سه‌‌مؤلفه‌ایِ دوره کوتاهِ شبکه‌هایِ تهران، مازندران و سمنان، مورد بهره‌برداری قرارگرفته است که در بازه زمانی 1996 تا 2006 و در گستره 34 تا 37 درجه عرض شمالی و 7/49 تا 54 درجه طول شرقی ثبت شده‌اند. این زلزله‌ها، از یک‌سو برای وارون‌سازی یک‌بُعدی با rms خروجی برابر با 15/0 ثانیه برای تعیین میدان سرعتی Vp و رسم نمودار سرعتی برحسب عمق استفاده شده‌اند و از سوی دیگر پس از تعیین موقعیت مجدد، درحکم داده‌های ورودی وارون‌سازی سه‌بُعدی به‌کار گرفته شده‌اند. بعد از تعیین مدل سه‌بُعدی اولیه و محاسبه مدل مستقیم به روش تفاضل متناهی، زمان‌سیرهای شکستی و بازتابی زاویه‌باز، وارون‌سازی سه‌بُعدی صورت گرفت و براساس نتایج آن، مقاطع افقی و قائم از ساختار زیرین ناحیه موردنظر ‌و ناپیوستگی‌های لایه‌های پوسته و موهو رسم و تحلیل شد. وضوح قابل‌‌قبول تصاویر خروجی براساس مدل آزمون شطرنجی، اعتبار نتایج را به اثبات می‌رساند. در تصاویر به‌دست آمده از توموگرافی سه‌بُعدی صورت گرفته روی حجم مدل پوسته زیر شبکه ایستگاه‌ها ، علاوه بر لایه رسوبی، سه لایه فوقانی، میانی و تحتانی به‌ترتیب از بالا به پایین تا مرز موهو قابل مشاهده است. خروجی‌های نهایی  نشان‌دهنده آن هستندکه مدل پوسته به‌دست آمده با مقاطع قائم زمین‌شناسی در تحقیقات اخیر مطابقت دارد. در این خروجی‌ها مشاهده می‌شود که لایه فوقانی از دو لایه میانی و تحتانی ضخیم‌‌تر است به‌طوری‌که در زیر ارتفاعات البرز و حتی در بعضی نواحی دیگر، دو لایه میانی و تحتانی نازک‌تر شده و یا کاملاً از بین رفته‌اند. در زیر قله دماوند در عمق‌های بیش از 48 کیلومتر، سرعت موج لرزه‌ای نسبت به محیط اطراف کاهش می‌یابد و درعین‌حال از عمق 6 تا 18 کیلومتر، محل مجرای آتشفشان دماوند از محیط مجاور پُرسرعت‌تر و نسبت به محیط اطراف خود سردتر است. کم‌‌سرعت بودن محفظه آتشفشان دلیل بر گرم بودن این ناحیه نسبت به اطراف است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Three-dimensional imaging of Central Alborz’s crust by using local earthquake tomography

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Jafarizadeh 1
  • Mohammad Reza Gheytanchi 2
چکیده [English]

In this study, applying a tomography method to local earthquakes, a three-dimensional (3D) image of the crust of central Alborz is obtained. The result is not only consistent with the tectonics features in the region but also abale to interpret the tomography of Moho and crustal structure beneath the volcanic mountain of Damavand. More than 11000 local earthquakes, with a magnitude of 1.7 or higher, recorded by three-component short-period seismic stations of Tehran, Mazandaran, and Semnan networks between 1996 and 2006, bounded by 34-37N and 39.7-54E, were used to image the crust in central Alborz. These raw pieces of data, on one hand, were used as input for the 1D inversion method to obtain the variation of Vp and plot the velocity versus depth diagram whose rms was smaller than 0.15. On the other hand, they were used in a relocation process and when their locations were improved, a 3D model was generated based on them. After determining the preliminary 3D and forward models using the finite-difference method, the refracted and wide-angle reflected travel times were inverted and the horizontal and vertical sub-structures in our determined region were investigated. Based on these results, the discontinuities of the crust and Moho were mapped and analyzed. The final outputs showed that the resulted crust model is consistent with some of the recent geological studies. These outputs illustrat that the upper layer is thicker than the middle and lower ones as these two layers become thinner and even disappear below Alborz. It seems that the upper layer fills some hollows in the other ones. The depth of Moho increases below Damavand mountain; also, the area around the volcanic conduit of Damavand, between 6km and 18km depths, has a high velocity and is colder than the other areas.
    The P-velocity model resulted by using 1D tomography facility of Velest with RMS values less than 0.15, are compatible with the previous models. The resulted depth is 45 ± 2 km for the Moho and 7 km for the sediment layer. Frequency and distribution diagrams of the earthquakes show that about 75% of earthquakes have happened in depths less than 24 km and consequently the most seismogenic layer of the crust is estimated to be located at this depth. The 3D tomography, performed through the Zelt routines, has acceptable results with less than 2.5% error. Although an enough number of earthquakes overcome the problem of scarcity of the stations, the high depths of earthquakes cause a low resolution in shallow layers. However, this problem can be solved by increasing the density of stations.
 
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tomography
  • Local Earthquakes
  • Central Alborz
  • 1D crustal model
  • 3D crustal model
  • seismotechtonic
Alavi, M., 1994, Tectonics of the Zagros orogenic belt of Iran: new data and interpretations: Tectonophysics, 229, 211-238.

Alavi, M., 1996, Tectonostratigraphic synthesis and structural style of the Alborz mountains in northern Iran: J.Geodynamics, 21(1), 1-33.

Allen, M. B., Jones, S., Ismailzadeh, A., Simmons, M., and Anderson, L., 2002, Onest of subduction as the cause of rapid PlioQuaternary subsidence in the South Caspian basin: Geology, 30, 775-778.

Allen, M. B., Ghassemi, M. R., Shahrabi, M., and Qorashi, M., 2003, Accomodation of late Cenozoic oblique shortening in the Alborz range, northern Iran: Journal of Structural Geology, 25, 659-672.

Asudeh, I., 1982, Seismic structure of Iran from surface and body wave data: Geophys. J. R. Astron. Soc, 71, 715– 730.

Brunet, M. F., Korotaev, M. V., Ershov, A. V., and Nikishin, A. M., 2003, The South Caspian Basin: A review of its evolution from subsidence modeling: Sedimentary Geology, 156, 119-148.

Dehghani, G. A., and Makris, J., 1984, The gravity field and crustal structure of Iran. Neues Jahrb. Geol. Palaeontol, 168, 215– 229.

Gheitanchi, M. R., 1996, Crustal Structure in NW Iran revealed from the 1990 Rudbar aftershock sequence: J. Earth Space Phys, 23 (1&2), 7-14.

Javan-Doloei, Gh., and Roberts, R., 2003, Crust and uppermost mantle structure of Tehran region from analysis of teleseismic P waveform receiver functions: Tectonophysics, 364, 115-133.

Kissling, E., 1995, Program VELEST USER’S GUIDE, Short Introduction, Institute of Geophysics; ETH Zuerich.

Mangino, S., and Priestly, K., 1998, The crustal structure of the southern Caspian region: Geophys. J. Int, 133, 630-648.

Nazari, H., 2006, Analyse de la tectonique recente et active dans l'Alborz Central et la region de Teheran: Approche morphotectonique et paleoseismologique. Science de la terre et del’eau. Montpellier II, 247.Sodoudi, F., Yuan, X., Kind, R., Heit, B., and Sadidkhouy, A., 2009, Evidence for a missing crustal root and a thin lithosphere beneath the Central Alborz by receiver function studies: Geophysical Journal International, 177(2), 733-742.

Stampfli, G. M., 2000, Tethyan oceans. Geological society: London, special publications, 173, 1-23.

Tatar, M., 2001, Etude Seismotectonique de deux Zones de collision continentale, Le Zagros Central et l'Alborz (Iran), These Phd, Joseph Fourier.

Vidale, J., 1988, Finite-difference calculation of traveltimes: Bull. Seis. Soc. Am, 78(6), 2062-2076.

Vidale, J. E., 1990, Finite-difference calculations of traveltimes in three dimensions: Geophysics, 55, 521–526.

Zelt, C. A., and Barton, P. J., 1998, Three seismic refraction tomography: A comparison of two methods applied to data from the Faeroe Basin: J. Geophys. Res, 103, 7187–7210.