Cameron Spooner

• Forming as a result of the collision between the Adriatic and European plates, the Alpine orogen exhibits significant lithospheric heterogeneity due to the long history of interplay between these plates, other continental and oceanic blocks in the region, and inherited features from preceeding orogenies. This implies that the thermal and rheological configuration of the lithosphere also varies significantly throughout the region. Lithology and temperature/pressure conditions exert a first order control on rock strength, principally via thermally activated creep deformation and on the distribution at depth of the brittle-ductile transition zone, which can be regarded as the lower bound to the seismogenic zone. Therefore, they influence the spatial distribution of seismicity within a lithospheric plate. In light of this, accurately constrained geophysical models of the heterogeneous Alpine lithospheric configuration, are crucial in describing regional deformation patterns. However, despite the amount of research focussing on the area,Forming as a result of the collision between the Adriatic and European plates, the Alpine orogen exhibits significant lithospheric heterogeneity due to the long history of interplay between these plates, other continental and oceanic blocks in the region, and inherited features from preceeding orogenies. This implies that the thermal and rheological configuration of the lithosphere also varies significantly throughout the region. Lithology and temperature/pressure conditions exert a first order control on rock strength, principally via thermally activated creep deformation and on the distribution at depth of the brittle-ductile transition zone, which can be regarded as the lower bound to the seismogenic zone. Therefore, they influence the spatial distribution of seismicity within a lithospheric plate. In light of this, accurately constrained geophysical models of the heterogeneous Alpine lithospheric configuration, are crucial in describing regional deformation patterns. However, despite the amount of research focussing on the area, different hypotheses still exist regarding the present-day lithospheric state and how it might relate to the present-day seismicity distribution. This dissertaion seeks to constrain the Alpine lithospheric configuration through a fully 3D integrated modelling workflow, that utilises multiple geophysical techniques and integrates from all available data sources. The aim is therefore to shed light on how lithospheric heterogeneity may play a role in influencing the heterogeneous patterns of seismicity distribution observed within the region. This was accomplished through the generation of: (i) 3D seismically constrained, structural and density models of the lithosphere, that were adjusted to match the observed gravity field; (ii) 3D models of the lithospheric steady state thermal field, that were adjusted to match observed wellbore temperatures; and (iii) 3D rheological models of long term lithospheric strength, with the results of each step used as input for the following steps. Results indicate that the highest strength within the crust (~ 1 GPa) and upper mantle (> 2 GPa), are shown to occur at temperatures characteristic for specific phase transitions (more felsic crust: 200 – 400 °C; more mafic crust and upper lithospheric mantle: ~600 °C) with almost all seismicity occurring in these regions. However, inherited lithospheric heterogeneity was found to significantly influence this, with seismicity in the thinner and more mafic Adriatic crust (~22.5 km, 2800 kg m−3, 1.30E-06 W m-3) occuring to higher temperatures (~600 °C) than in the thicker and more felsic European crust (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Correlation between seismicity in the orogen forelands and lithospheric strength, also show different trends, reflecting their different tectonic settings. As such, events in the plate boundary setting of the southern foreland correlate with the integrated lithospheric strength, occurring mainly in the weaker lithosphere surrounding the strong Adriatic indenter. Events in the intraplate setting of the northern foreland, instead correlate with crustal strength, mainly occurring in the weaker and warmer crust beneath the Upper Rhine Graben. Therefore, not only do the findings presented in this work represent a state of the art understanding of the lithospheric configuration beneath the Alps and their forelands, but also a significant improvement on the features known to significantly influence the occurrence of seismicity within the region. This highlights the importance of considering lithospheric state in regards to explaining observed patterns of deformation.…
• Als Resultat der Kollision zwischen der Adriatischen und Europäischen Platte ist das Alpenorogen durch eine ausgeprägte Heterogenität der Lithosphäreneigenschaften gekennzeichnet, die auf die Geschichte der beiden Platten, ihre Interaktion, Wechselwirkungen mit anderen kontinentalen und ozeanischen Blöcken der Region und strukturell vererbte Merkmale aus früheren Orogenesen zurückzuführen sind. Entsprechend ist zu erwarten, dass die thermische und rheologische Konfiguration der Lithosphäre ebenfalls grundlegend innerhalb der Region variiert. Lithologie und Temperatur-/Druckbedingungen steuern maßgeblich die Festigkeit der Lithosphäre indem thermisch aktiviertes Kriechen die Tiefenlage der spröd-duktilen Übergangszone – die sogenannte brittle-ductile transition (BDT) bestimmt. Diese Tiefenlage kann als untere Grenze der seismogenen Zone betrachtet werden kann, weshalb sie die räumliche Verteilung der Seismizität in der Lithosphärenplatte entscheidend beeinflusst. Trotz der langjährigen und umfangreichen Forschung zur Dynamik undAls Resultat der Kollision zwischen der Adriatischen und Europäischen Platte ist das Alpenorogen durch eine ausgeprägte Heterogenität der Lithosphäreneigenschaften gekennzeichnet, die auf die Geschichte der beiden Platten, ihre Interaktion, Wechselwirkungen mit anderen kontinentalen und ozeanischen Blöcken der Region und strukturell vererbte Merkmale aus früheren Orogenesen zurückzuführen sind. Entsprechend ist zu erwarten, dass die thermische und rheologische Konfiguration der Lithosphäre ebenfalls grundlegend innerhalb der Region variiert. Lithologie und Temperatur-/Druckbedingungen steuern maßgeblich die Festigkeit der Lithosphäre indem thermisch aktiviertes Kriechen die Tiefenlage der spröd-duktilen Übergangszone – die sogenannte brittle-ductile transition (BDT) bestimmt. Diese Tiefenlage kann als untere Grenze der seismogenen Zone betrachtet werden kann, weshalb sie die räumliche Verteilung der Seismizität in der Lithosphärenplatte entscheidend beeinflusst. Trotz der langjährigen und umfangreichen Forschung zur Dynamik und Struktur der Alpen gibt es immer noch verschiedene Hypothesen zum heutigen physikalischen Zustand des Systems und dazu, wie dieser mit der Verteilung und dem Auftreten von Seismizität zusammenhängt. Diese Dissertation hat das Ziel, die Lithosphärenkonfiguration der Alpen zu beschreiben und Zusammenhänge zwischen der Verteilung lithosphärischer Eigenschaften und Deformation, insbesondere der Verteilung der Seismizität abzuleiten. Dies wird durch einen integrierten Modellierungsansatz erreicht, mit dem verfügbare geophysikalische Beobachtungen in 3D Modellen zusammengeführt werden, die die heterogene lithosphärische Konfiguration abbilden. Dazu wird (1) ein mit geologischen, seismischen und gravimetrischen Daten konsistentes 3D-Dichtemodell erzeugt und genutzt, um Lithologien abzuleiten, (2) deren Konsequenzen für das dreidimensionale stationäre thermische Feld zu berechnen und, basierend darauf, schließlich (3) die räumliche Variation der Lithosphärenrheologie zu bestimmen. Diese räumliche Variation der rheologischen Eigenschaften wurde schließlich in Beziehung zur Verteilung der auftretenden Seismizität gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die größte Festigkeit innerhalb der Kruste (~1 GPa) und im oberen Mantel (> 2 GPa) oberhalb der Bereiche auftritt, wo Temperaturbedingte Phasenübergänge zu erwarten sind. Für die felsische Kruste umfasst dies den Temperaturbereich bis etwa 400° C, für die mafische Kruste und den lithospärischen Mantel bis etwa 600°, wobei Seismizität jeweils oberhalb dieser Temperaturen auftritt. Zusätzlich wurden Hinweise gefunden, dass diese Festigkeitsverteilung auf vererbte Lithosphäreneigenschaften zurückzuführen ist: so tritt seismische Aktivität in der dünneren und mafischen Adria Kruste (~22,5 km, 2.800 kg m-3, 1.30E -06 W m-3) bei höheren Temperatur (~600° C) auf als in der dickeren und eher felsischen europäischen Kruste (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Die Beziehung zwischen seismischer Aktivität und Lithosphärenfestigkeit im Bereich der Vorländer zeigt ebenfalls unterschiedliche Trends, die verschiedenene tektonische Randbedingungen wiederspiegeln. Während im Plattenrandsetting des südlichen Vorlands Seismizität in der rheologisch weicheren Lithosphäre in der Umrandung des adriatischen Indentors auftritt, korreliert die auftretende Seismizität im Intraplattensetting des nördlichen Vorlands räumlich mit wärmeren und rheologisch schwächeren Domänen im Bereich des Oberrheingrabens. Somit liefern die Ergebnisse in dieser Arbeit nicht nur ein verbessertes Verständnis der Lithosphärenkonfiguration der Alpen und ihrer Vorländer , sondern auch einen bedeutenden Fortschritt dazu, welche Faktoren Seismizität innerhalb der Region beeinflussen können. Sie zeigen, dass es wichtig ist, die Lithosphärenkonfiguration zu kennen und sie zur auftretenden Deformation in Beziehung zu setzen.…