Investigation of mantle kinematics beneath Turkey and adjacent regions based on seismological and numerical modelling

Abstract

Upper mantle dynamics (e.g. subduction processes, slab roll-back, slab tearing, and mantle upwelling) influence the tectonics of the Eastern Mediterranean region; however, a detailed understanding of the acting forces has remained elusive. Further progress requires more accurate measurements, not just of the surface kinematics (e.g. GPS measurements, Global Positioning System), but also of indirect indicators of kinematics throughout the lithosphere and convecting upper mantle from seismology. Robust quantification of the magnitude, location, and direction of seismic anisotropy can provide an orientation of present and prior extensional fields, as well as mantle flow patterns. In this PhD Thesis, three novel methods were used to investigate seismic anisotropy and P-wave velocity anomalies in the upper mantle. Separate and combined interpretations of the results and extensive discussions with available literature reveal new findings of mantle dynamics and tectonics in the Eastern Mediterranean region. For the first project, shear-wave splitting (SWS) measurements in the central and southern Aegean were performed. In addition to SKS-waves, direct S-waves (Reference Station Technique) were included in this research, which made it possible to use more observations and therefore get better and more reliable averages than some prior studies. This study was able to use on average 12 events per station, while common local SKS studies calculated splitting parameters with only one to five events. Splitting measurements exhibit mostly NNE-SSW oriented fast polarization directions (FPDs) and large time delays (TDs) at stations in the back-arc region of the Hellenic subduction system. At three stations close to trench FPDs are N-S directed. With the results from the splitting analysis at 35 stations and 81 events, directions of mantle flow, strain, and their strengths are interpreted. The study concluded that FPDs in the back-arc are mostly perpendicular to the trench and parallel to supra-slab mantle flow induced by the roll-back movement of the slab and its extensional regime in the Aegean with station-averaged TDs between 1.15-1.62 s. Due to the curvature of the trench, FPDs in the eastern Aegean and southwestern Turkey seem to be trench-parallel aligned. This could be related to sub-slab mantle flow or it might be influenced by the tearing of the slab in the upper mantle beneath this region. In the second project of this thesis, a numerical approach was used to model the mantle flow and anisotropy of the Eastern Mediterranean and Anatolian region. With complex non-steady-state 3D geodynamic modelling, the plate movement, mantle flow, transverse isotropy, and SKS splitting parameters for the regional subduction system were calculated. The modelled plate movements represent approximately the past 22 million years of the African, Arabian, and the oceanic plate subducting underneath a westward-moving Anatolian and an extending Aegean microplate. Implemented weak zones helped to initiate the detachments of the slab and allowed the slab to roll back. The model shows that tearing beneath southwestern Turkey, a break-off in the collisional regime of eastern Anatolia, as well as the retreat of the slab in the Aegean influence the strength and direction of the mantle flow and anisotropy. Similarities of measured and modelled SWS measurements made it possible to interpret and explain anisotropy data more in detail. SWS splitting parameters are mostly N-S oriented, perpendicular to the movement of the trench, similar to seismological observations, with the highest TDs in the back-arc region due to strong roll-back induced mantle flow. Close to the trench, the transverse isotropy pattern is complex, with vertical and horizontal components parallel and perpendicular to the trench. The influence on mantle flow and FPDs, related to the development of a tear and a break-off in the slab, is significant. The mantle flow appears to be faster through the slab windows and around the edges of the detached parts of the slab, where a circular pattern of strong mantle flow and anisotropy can be observed. At last, a P-wave tomography study of the Eastern Mediterranean region, focusing on the upper mantle, with a large data set was performed. Since strong anisotropy with complicated direction pattern is present in the region, especially due to the active subduction system, a method, first tested on synthetic models, was used to correct the models for anisotropy. The anisotropy of 3D mantle convection simulations and SWS measurements from the literature are taken as a priori constraints to correct P-wave arrival times. Isotropic inversions, as well as the models corrected for anisotropy, show the half-arc shape of the subducting slab in the Aegean, the detached slab in eastern Anatolia, and the slab appears to be fragmented in a few locations. A horizontal tear in western Greece, a deep and pronounced vertical tear in western Anatolia, and a sub-horizontal tear between the eastern and western Cyprian slab can be identified. The steeply dipping Aegean slab flattens around 410 km till the model depth boundary at 750 km and is connected to the Cyprian slab, which does not reach lower than 500 km. Beneath eastern Anatolia, high-velocity anomalies indicate the existence of some Bitlis slab fragments, while a shallow high-velocity anomaly in northern Anatolia (<150 km) might represent a remnant slab from a Neotethyan subduction process. Slow-velocity perturbations beneath volcanic region in central and eastern Anatolia are most probably related to upwelling mantle material. Spatially large first-order velocity perturbations are stable and similar in all three models, but small differences in geometry or strength can be detected when comparing the isotropic model with the anisotropy corrected models. Discrepancies in velocity perturbations reach up to 2% locally; however, the variance reduction only increases minimal, when correcting for anisotropy. It appears that the mostly homogeneous and horizontal anisotropy does not affect the inversion immensely, except in the active slab region, where anisotropy with a dipping and vertical axis of symmetry is present. Adding anisotropy from simple SWS measurements might not influence tomography results immensely due to the horizontal alignments of the splitting parameters. While the anisotropy retrieved from the numerical model allows vertical, multiple layers, and complex anisotropy patterns, the model might not represent the regional settings completely correct. Nevertheless, adding anisotropy enhances P-wave inversions and should be considered when interpreting velocity perturbations in regions with active or fossil subduction slabs.

Doğu Akdeniz Bölgesi altında kalan üst manto tabakası içerisinde gelisen dinamik süreçler (örn., yitim zonları, dalan levhanın geriye doğru çekmesi, dalan levha içerisinde yırtılma, veya manto malzemesinin yükselmesi) bu bölgenin tektonik özelliklerinin oluşmasında ciddi bir öneme sahipken, bu süreçlerin bölgesel ve zamansal olarak önemi detaylı bir şekilde bilinmemektedir. Bu bağlamda elde edilebilecek gelişmeler, sadece GPS ölçümlerine bağlı olarak elde edilebilecek yüzey kinematiklerine değil, aynı zamanda sismolojik ölçüm ve modellemeler ile litosfer ve konveksiyon akımları ile ısının iletildiği astenosfer tabakası boyunca yer içi kinematiklerinin dolaylı bir şekilde elde edilmesine ihtiyaç duyar. Sismik anizotropinin büyüklüğü, yeri, ve de yöneliminin güvenilir bir şekilde tayini geçmişte ve günümüzde meydana gelen genişleme alanlarının yönleri ya da manto içindeki akış yönleri hakkında önemli ip uçları sağlayabilmektedir. Bu şekilde oluşturulan veri setlerinin yorumlanması ışığında, tektonik süreçlerin jeolojik zamanlar boyunca davranışları modellenebilmektedir. Sismik anizotropinin üst manto içinde oluşumu olivin mineralinin gerilmeye bağlı gelişen tercihi kafes tipi yöneliminden (LPO) dolayıdır. S-dalgaları anizotropik bir tabakaya girdikleri zaman, hemen hemen birbirine benzer iki adet S-dalga tipine ayrışırlar. Bu dalgalardan bir tanesi manto akış veya gerilme yönüne paralel olacak şekilde hızlı olarak, diğeri ise bu yönlere dik olacak şekilde yavaş olarak anizotropik ortam içerisinde ilerler. Bu doktora çalışmasında, üç farklı yaklaşım manto içerisinde sismik anizotropinin dağılımı ve anizotropiye neden olan mekanizmanın anlaşılması ile mevcut anizotropinin izotropik ters çözüm yaklaşımları sayesinde modellenebilecek olan P-dalga hızı anomalilere etkisini araştırmak için kullanıldı. Elde edilen sonuçların ayrı olarak veya birlikte yorumlanmasına ek olarak mevcut literatür çalışmalarının ışığında yapılan geniş kapsamlı tartışmalar, Doğu Akdeniz Bölgesi'nin tektoniği ve manto dinamikleri hakkında yeni bilgiler ortaya çıkardı. Doktora çalışmasının birinci kısmı, Ege Bölgesi'nin orta ve güney bölümlerinde S-dalgası ayrımlaşması ölçümlerinin alınmasını hedeflemektedir. Bu amaçla, ayrımlaşma çalışmalarında kullanılan konvansiyonel SKS fazlarına ek olarak, mevcut Referans ˙Istasyon Tekniği'nin kullanılması ile, araştırma verisi olarak sayıca daha fazla gözlem ve böylelikle önceki yıllarda bölgede yapılmış çalışmalara kıyasla daha güvenilir bir ortalama sağlayabilecek olan direkt varan S-dalgaları kullanılmıştır. Ayrışma analizleri neticesinde, direkt S-dalgalarının sağladığı gözlem sayısı istasyon başına ortalama 12 iken SKS fazları için bu sayı ortalama 5 olarak gözlemlenmektedir. Direkt S-dalgalarının kullanımını normal koşullar altında problemli hale getiren şey, bu dalga türünü SKS fazının tersine, kaynaktan istasyona varana kadar geçen yol boyunca bizim ilgi alanımız dışında kalan ve güçlü bir anizotropik etkiye sahip yapıların etkisini beraberinde taşıma riskidir. Referans ˙Istasyonu Tekniği'nin kullanımı ile bu etki en aza indirilebilir. Bu tekniğin ardında yatan temel fikir yeriçinde üst manto tabakasına ait sismik anizotropi parametrelerinin, verilen bir hedef istasyonu (target station) için kaydedilen telesismik direkt S dalgasına ait sinyalin aynı depreme ait başka bir istasyonda kaydedilen sinyal ile (referans istasyonu) karşılaştırılarak hesaplanması ilkesine dayanır. Buna göre, bu yöntemin esas aldığı temel varsayıma göre, genel olarak alıcı tarafında (receiver-side) etkin olan anizotropik yapı hem hedef (target) hem de referans (reference) istasyonu için farklılıklar gösterebilir, ancak telesismik kaynak tarafında etkin olabilecek anizotropik yapılar yine bu iki istasyon (hedef ve alıcı istasyonları) için hemen hemen birbirinin aynıdır. Bu durumda, alıcı bölgesinin altında kalan bölge için anizotropik yapının önceden bilinmesi gerekmektedir. Bu varsayımlar altında, alıcı-bölge içerisinde kalan referans istasyonunda kaydedilen S sinyaline, bu istasyonda daha önceden bilinen anizotropi bilgisi kullanılarak düzeltme uygulanır. Düzeltme sonrasında referans istasyonunda elde edilen edilen S-sinyalleri, hedef istasyonunda kaydedilenler ile sistematik bir biçimde karşılaştırılarak maksimum benzerlik aranır. Aranılan en iyi benzerliği veren yön ve zaman gecikmesi parametreleri, hedef istasyonu altında kalan yapının ortalama sismik hızlanma yönü ve anizotropik zaman gecikmesi olarak tayin edilmiş olur. Bu çalışmada, elde edilen S-dalgası hızlanma parametrelerinin çoğunlukla KKD-GGB yönlerini işaret ettiği ve yay-ardı bölgesinin nispeten daha büyük zaman gecikmeleri ile karakterize edildiği gözlenirken yay bölgesine çok yakın 3 istasyonda, hızlanma yönleri K-G olarak bulunmuştur. Toplam olarak 81 depreme ait 35 istasyon tarafından elde edilen kayıtların kullanılması, inceleme bölgesinde manto içerisinde akış yönü ve buna bağlı olarak gelişen gerilme ile, sonuç olarak ortaya çıkan sismik anizotropinin büyüklüğü hakkında yorumlar getirebilmemize olanak sağladı. Bu çalışma genel olarak, sismik hızlanma yönlerinin yay-ardı bölgede çoğunlukla yayın uzanımına dik ve dalan levhanın üzerinde kalan bölgede levhanın geri çekmesine bağlı gelişen ve inceleme bölgesinde görülen genişlemesel tektonik ile ilişkili olan manto akış yönüne paralel olabileceğini gösterdi. Bu şekilde her bir istasyon için ölçülmüş olan anizotropinin ortalama büyüklüğü 1.15-1.62 sn'ler arasında değişen gecikme zamanları ile ifade edilmektedir. Doğu Ege ve güneybatı Türkiye'de gözlemlenen hızlanma yönleri, yayın eğrisel yapısına bağlı olarak trenç-paralel olarak gözlemlenmektedir. Bu durum dalan levhanın alt kısmında kalan manto bölgesinin akış yapısına bağlı olabileceği gibi, levha içi yırtılmanın üst manto içerisinde neden olabileceği etkinin izi olarak da açıklanabilir. Bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, Doğu Akdeniz ve Anadolu çevresinde yer alan bölgenin altında kalan üst manto için ısı iletimini sağlayan conveksiyon akımlarının neden olduğu plastik deformasyon ve bunun sonucunda meydana gelen anizotropinin üç boyutlu (3-B) olarak sayısal yöntemlerle modellenmesi tamamlanmıştır. Bu çeşit bir, karmaşık ve durağan olmayan 3-B jeodinamik modelleme yaklaşımı sayesinde, inceleme alanındaki levha hareketleri, manto akış yönleri, ve bunun sonucu gelişebilecek ve yönsel bağımlılık gösteren sismik anizotropi hakkında kapsamlı bir inceleme yapılabilmiştir. Modellenen levha hareketleri, esasen Anadolu ve Arap levhalarının birbiriyle olan etkileşiminin, ve de okyanusal Afrika levhasının zamanla batıya doğru hareket etmekte olan Anadolu levhasının altına yaptığı dalım sonucu süre gelen Ege genişlemesinin yaklaşık olarak 22 milyon yıllık jeodinamik sürecini temsil etmektedirler. Farklı reolojik koşulları içerecek şekilde test edilen modeller içerisinde başlangıçta tanımlanmış zayıflık zonları, özellikle dalan levhanın yırtılarak kopmasına ve bazı durumlarda ise levhanın geriye doğru çekme hareketini gerçekleştirmesine neden olduğunu kanıtlamıştır. Test edilen modellerden elde edilen tahmini sismik anizotropi yönleri ile, gözlemsel olarak (örneğin SKS ve direkt S-dalgası ayrımlaşma parametreleri vb.) elde edilen anizotropik parametrelerin kıyaslanması, anizotropik yapıları ve bunlara neden olan mekanizmaları 3-B uzayda ve zamansal olarak detaylı bir şekilde açıklayıp yorumlayabilmemize olanak sağlamıştır. Tahmini olarak hesaplanan S-dalgası ayrımlaşma parametreleri, genel olarak K-G yönlü bir dağılım sergilemektedirler. Model sonuçlarımız, en yüksek tahmini zaman gecikmelerinin yay-ardı bölgesinde ve büyük bir olasılıkla burada dalan levhanın kuvvetli bir şekilde geriye çekme hareketine de neden olan manto konveksiyon akımlarına bağlı olarak elde edildiğini işaret etmektedir. Trenç bölgesine yakın yerlerde, yatay ve düşey bileşenleri daha da belirginleşen, yön bağımlı anizotropinin nispeten daha karmaşık bir hale geldiğini görmekteyiz. Model alanının batı kısmında kalan ve dalan Afrika levhası içerisinde gelişen yırtığın ve daha doğuda Arap levhasına ait kopan kısmın, manto akışı ve bunun sonucu gözlemlenebilecek sismik hızlanma yönlerine belirgin bir etkisi olduğu anlaşılmaktadır. Modelleme çalışmalarımız ayrıca, levha içerisinde yırtılmalarla gelişen levha içi pencereler boyunca ya da levhadan kopan kısmın kenarları boyunca, manto akışının daha hızlı bir şekilde gerçekleştiği sonucunu vermektedir. Bu tip bölgelerde yaygın bir anizotropi gözlenirken meydana gelen manto akışı dairesel bir şekle sahiptir. Bu çalışmada son olarak, Doğu Akdeniz Bölgesi ve Anadolu altında kalan litosfer ve üst manto derinliklerini kapsayacak şekilde bir P-dalga hızı tomografi çalışması gerçekleştirildi. Bu amaçla oldukça güncel ve yoğun bir veri seti (686 istasyon ve 107,283 zaman gecikmesi bilgisi) kullanıldı. Son yıllarda yapılan bazı çalışmalar, özellikle manto içerisinde gelişen anizotropik yapıların, telesismik fazların varış zamanlarını ciddi olarak etkileyebileceği sonucuna varmışlardır. Yaklaşık olarak dikey geliş açıları ile istasyona varan telesismik P-dalgaları, yatay düzlem üzerinde konumlanan hızlanma yönlerinden dolayı nispeten yavaşlatıcı bir etkiye maruz kalırken, yayılım ortamında düşey doğrultuda anizotropik yönelim varsa, bu durumda normalden daha hızlı yayılmaktadırlar. Araştırma bölgesinde, özellikle aktif bir dalma-batma sistemi ile ilişkili olarak, karmaşık bir yapıya sahip kuvvetli bir anizotropi var olduğundan, daha önceden sadece yapay varış zamanlarından elde edilen bir veri setine uygulanmış olan düzeltme yaklaşımı bu çalışmada gerçek zaman bilgileri kullanılarak test edildi. Burada esas amaç, anizotropik düzeltme öncesi ve sonrasında elde edilecek olan tomografik görüntülerin arasındaki farklardan yola çıkarak, manto içerisinde anizotropiye bağlı süreçlerin, izotropik varsayımlı geleneksel tomografi çalışmalarının sonucunda yapılacak olan jeodinamik yorumlamaları ne derece değiştirebileceğinin anlaşılması üzerinedir. Böylelikle, 3-B manto konveksiyon akımı model sonuçlarından elde edilen tahmini sismik anizotropi hesaplamaları, bu tez çalışmasında veya önceden literatürde yayımlanmış sismolojik ölçümlerden elde edilen gözlemsel parametreler ile beraber kullanılarak, P-dalga varış zamanlarının üzerinde olabilecek anizotropik etki detaylı bir şekilde incelenmiştir. Düzeltme uygulanmamış ve düzeltme uygulanmış verilerin izotropik varsayımlar ve sonlu-frekans tomografi yaklaşımı kullanılarak ters çözüm modellemesi sonucunda elde edilen hız dağılımı görüntüleri, Afrika dalan levhasının yarım yay şeklinde görülen Ege Bölgesi'ndeki kısmını ve de doğu Anadolu Bölgesi'nde kopmuş olarak yorumlanabilecek levha parçasını açıkça göstermektedir. Bunun yanı sıra, elde edilen tomografi modellerinden, Yunanistan'ın batı kısmında dalan levhanın içerrinde nispeten yatay olarak konumlanmış bir yırtılma ile Anadolu altında Kıbrıs'ın doğu ve batısı arasında kalan bölgede, nispeten dikey olarak ve daha derinde gözlemlenen bir başka dalan levha yırtığı açık bir şekilde görüntülenebilmektedir. Hemen hemen dik bir biçimde dalım yapan Afrika levhasının Ege Bölgesi'ne denk gelen kısmı yaklaşık 410 km civarından 750 km'de konumlanan model sınırına kadar düzleşme eğilimi gösterir ve daha doğuda 500 km'nin daha altına ulaşamadığı görülen Kıbrıs levhasına bağlanır. Doğu Anadolu altında, dalan levhanın kopan parçaları yüksek P-hızı özellikleri ile karakterize edilirken, Anadolu'nun kuzey kısmında kalan bölgede nispeten sığ derinliklerde (<150 km) görülen yüksek hız yapıları Neotethyan dalma batma sisteminden kalıntı olan levhanın izleri olarak yorumlanabilir. Orta ve doğu Anadolu'da volkanik bölgelere denk gelen nispeten düşük S-hızı dağılımları büyük bir olasılıkla yukarıya doğru yükselen sıcak manto malzemesinin izini temsil ediyor olabilirler. Büyük ölçeklerde birinci derece olarak görülebilen hız anomalilerinin 3-B dağılımları, anizotropik düzeltme yapılmış veya yapılmamış tomografik görüntülerde birbirine oldukça benzerlikler göstermektedir. Bununla birlikte, hız anomalileri arasında, daha küçük boyut ve belirginlikte tespit edilebilen farklılıklar sismik anizotropinin izotropik tomografi yöntemleri üzerinde neden olduğu sonuçları göstermektedir. Söz konusu bu farklılıklar bazı bölgelerde 2% gibi değerlere kadar ulaşabilmektetir. Bununla birlikte, düzeltme sonrası elde edilen tomografi varyans düşümlerinde genel olarak çok ciddi bir iyileşme gözlemlenmemektedir. Bu sonuç, inceleme bölgesinde çoğunlukla homojen özelliklerde dağılımı olan ve genelde yatay düzlem içerisinde yönelim gösteren anizotropik yapıların, ters çözüm sonuçlarına dramatik bir biçimde etki edemiyeceğini göstermektedir. Bununla birlikte, Ege Bölgesi'nin güneyinde aktif bir şekilde dalım yapan Afrika levhası ile ilişkili anizotropik yapının, dalım yapan bir simetri eksenine sahip olabileceği sayısal modellerden anlaşılmaktadır. Bu bölgede, sismik anizotropinin, izotropik tomografiden elde edilen sonuçlara yapmış olduğu etki, ortalamanın çok üzerinde ve çok belirgindir. öte taraftan sadece sismolojik gözlemlerden (örneğin SKS ölçümleri vb.) yola çıkarak gerçekleştirilen anizotropik düzeltmeler, düzeltme yapılmış ve yapılmamış verilerden elde edilen hız modelleri arasında çok ciddi farklılıklara işaret etmemektedirler. Bu durum, muhtemelen gözlemel SKS fazı ayrışma parametrelerinin, yatay düzleme ait anizotropik yönelimleri temsil etmeleri gerçeği ile açıklanabilir. Tamamen sayısal olarak manto akış modellerinden türetilen yapay anizotropi bilgisi, düşey düzlemde ve karmaşık anizotropi yapılarını örneklemeye izin verse bile, sonuçta elde edilen modellerin gerçekte var olan bölgesel yapıları tamamıyle temsil ettiği söylenemez. Yine de anizotropi etkisinin izotropik tomografi çalışmalarında hesaba katılması, daha gerçekçi P-dalga tomografi modellerini elde etmek için oldukça faydalı olmaktaıdrlar. Gözlemlenen farklılıkların belirginliği, inceleme bölgesinde özellikle günümüzde halen aktif veya geçmişte meydana gelmiş jeodinamik olayların (dalma-batma zonları gibi) aydınlatılmasında önemli bulgular sağlayabilir.