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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-29061
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2906/


The Levantine Basin : a seismic investigation of the crustal structure and the evolution of the Messinian evaporites

Das Levante Becken : eine seismische Untersuchung der Krustenstruktur und der Entwicklung der messinischen Evaporite

Netzeband, Gesa Luise

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SWD-Schlagwörter: Seismik , Kontinentale Erdkruste , Gravimetrie , Salztektonik , Schlammvulkan , Rutschung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Messinische Evaporite , Levante Becken , Refraktionsseismik , Reflexionsseismik
Freie Schlagwörter (Englisch): Messinian evaporites , Levantine Basin , refraction seismics , reflection seismics
Basisklassifikation: 38.48 , 38.36 , 38.72 , 38.79
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Gajewski, Dirk (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.04.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 22.05.2006
Kurzfassung auf Englisch: The Levantine Basin - a seismic investigation of the crustal structure and the evolution of the Messinian evaporites

ABSTRACT

This work presents an analysis of the crustal structure of the Levantine Basin, based on refraction seismic and gravity data, and an analysis of the evolution of the Messinian evaporites, based on reflection seismic data. Forward and inverse modelling of refraction seismic traveltimes along two profiles yielded 2-D velocity-depth-profiles. Gravity modelling along these profiles provided further information on the crustal structure. A great number of reflection seismic profiles was used for the analysis of the Messinian evaporites, which allowed an exhaustive investigation of the geometry of the evaporite layers, depositional phases of the evaporites and of their structural evolution.

The Levantine Basin is located in the Southeastern Mediterranean Sea. The basin and its margin are key areas for the understanding of the geodynamic evolution of the Eastern Mediterranean. The opening of the Levantine Basin is closely related to the opening of the Neo-Tethys. Many geodynamic reconstructions of this area have been developed, but the key question, the origin of the crust, remained open.
The Levantine Basin is also a world class site for studying the initial stages of salt tectonics driven by differential sediment load. The Messinian evaporites are comparatively young (deposited during the Messinian Salinity Crisis 5.9 - 5.3 Ma ago), the sediment load varies along the basin margin, they are hardly tectonically overprinted, and the geometry of the basin and the overburden is well-defined.

The crustal models derived in my study reveal that the crystalline basement in the Levantine Basin consists of two layers with a P-wave velocity of 6.0 - 6.4 km/s in the upper and 6.5 - 6.9 km/s in the lower crust. Towards the center of the basin the Moho depth decreases from 27 to 22 km. Local variations of the velocity gradient can be attributed to previously postulated shear zones like the Pelusium Line, the Damietta-Latakia-Line and the Baltim-Hecateus Line. Both layers of the crystalline crust are continuous and no indication for a transition from continental to oceanic crust is observed. These results are confirmed by gravity data. Comparison with other seismic refraction studies in prolongation of my profiles under Israel and Jordan and under the Eratosthenes Seamount, as well as in the Mediterranean Sea near Greece and Sardinia reveal similarities between the crust in the Levantine Basin and thinned continental crust, which is found in that region. The presence of thinned continental crust under the Levantine Basin is therefore suggested. A ß-factor of 2.3 - 3 is estimated. These findings lead to the conclusion that seafloor spreading in the Eastern Mediterranean Sea only occurred north of the Eratosthenes Seamount, and the oceanic crust was later subducted at the Cyprus Arc.
The analysis of the evaporites revealed the evaporite body is characterized by 5 transparent layers sequenced by four internal reflections. These internal reflections are differently folded and distorted, proving that the deformation was syn-depositional. Backstripping of the Pliocene - Quaternary reveals that the direction of lateral salt displacement is mainly SSW - NNE and parallel to the bathymetric trend. Apparent rollback anticlines off Israel result rather from differential subsidence than from lateral salt displacement. In the south-eastern basin margin the deposition of the Isreali Slump Complex (ISC) is coeval with the onset of salt tectonic faulting, suggesting a causal link between slumping processes and salt tectonics.
The superposition of plate tectonics and salt tectonics becomes apparent in several locations: The fold belt off the Israeli Mediterranean slope mainly results from active strike-slip tectonics, which becomes evident in faults which reach from the seafloor well below the base of the evaporites. Owing to the wrenching of the crustal segments which are bounded by deep-rooted fault lines like the Damietta-Latakia, Pelusium and Shelf Edge Hinge line the setting is transpressional south of 32°N, where the fault lines bend further towards the west. This adds a component of plate tectonic transpression to the compressional salt tectonic regime in the basin. At the eastern Cyprus Arc, the convergence zone of the African and the Anatolian plates, deep-rooted compression heavily deformed the base of the evaporites, whereas at the Eratosthenes Seamount mainly superficial compression affecting the Post-Messinian sediments and the top of the evaporites is observed. In the south of the basin, above 1.5 km of evaporites, a mud volcano, which has been named 'St. Pauli', is observed with the mud source seemingly within the evaporite layer.
Kurzfassung auf Deutsch: ABSTRACT (deutsch)

In dieser Arbeit wird eine Analyse der Krustenstruktur im Levante Becken vorgestellt, basierend auf refraktionsseismischen Messungen, und eine Analyse der Entwicklung der Messinischen Evaporite, die auf reflexionsseismischen Daten beruht. Mithilfe von Forwärtsmodellierung und anschließender Inversion von wurden 2-D Geschwindigkeits-Tiefen-Modelle von zwei refraktionsseismischen Profilen erstellt. Weiterhin wurden Dichtemodelle aufgrund von Schweremessungen entlang dieser Profile erstellt. Für die Analyse der Messinischen Evaporite stand eine Anzahl reflexionsseismischer Profile zur Verfügung, wodurch eine eingehende Untersuchung der Evaporitschichten, der Ablagerungsphasen der Evaporite und ihrer strukturelle Entwicklung ermöglicht wurde.

Das Levante Becken liegt im südöstlichen Mittelmeer. Das Becken und die angrenzenden Bereiche stellen ein Kerngebiet für das Verständnis der Entwicklung des östlichen Mittelmeeres dar. Die Öffnung des Levante Beckens steht in engem Zusammenhang mit der Öffnung der Neo-Tethys. Zahlreiche geodynamische Rekonstruktionen dieses Gebietes wurden bisher entwickelt, aber die Schlüsselfrage nach dem Ursprung der Kruste blieb offen.
Das Levante Becken ist außerdem eine hervorragende Region für das Studium der frühen Stadien der Salztektonik, die durch die Sedimentauflast bedingt sind. Die Messinischen Evaporite sind relativ jung (5,9 - 5,3 Ma), die Sedimentauflast variiert entlang des Hanges, sie sind kaum tektonisch überprägt und die Geometrie des Beckens und der Sedimentlagen sind wohlbekannt.

Die Krustenmodelle, die ich entwickelt habe, zeigen, daß die kristalline Kruste im Levante Becken aus zwei Schichten besteht, die eine P-Wellen-Geschwindigkeit von 6,0 - 6,4 km/s in der Oberkruste und 6,5 - 6,9 km/s in der Unterkruste aufweisen. Die Mohotiefe sinkt beckenwärts von 27 km auf 22 km. Lokale Variationen des Geschwindigkeitsgradienten können bereits früher postulierten Scherzonen wie der Pelusium Linie, der Damietta-Latakia-Linie und der Baltim-Hecateus-Scherzone zugeordnet werden. Beide Krustenschichten setzen sich bis ins Becken fort, und es gibt keinerlei Hinweis auf einen Übergang von kontinentaler zu ozeansicher Kruste. Dieses Ergebnis wird auch von den Dichtemodellen bestätigt. Vergleiche mit anderen refraktionsseismischen Studien, zum einen in Verlängerung meiner Profile unter Israel, Jordanien und dem Eratosthenes Seamount und zum anderen mit Profilen im Mittelmeer nahe Griechenland und Sardinien zeigen eine deutliche Ähnlichkeit der Kruste im Levante Becken mit gedehnter kontinentaler Kruste in dieser Region. Daher läßt sich auf kontinentale Kruste im Levante Becken schließen. Der geschätzte ß-Faktor liegt bei 2.3 - 3. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß seafloor spreading im östlichen Mittelmeer lediglich nördlich des Eratosthenes Seamount stattgefunden hat und daß die ozeanische Kruste später am Zypernbogen subduziert wurde.
Der Evaporitkörper besteht aus 5 transparenten Schichten, die durch 4 interne Reflexionen unterbrochen sind. Ein Backstripping des Pliozän - Quartär offenbart, daß die Richtung der lateralen Salzbewegung hauptsächlich SSW - NNE ist und damit parallel zum bathymetrischen Trend. Scheinbare Rollback- Antiklinen vor Israel entstehen im wesentlichen aufgrund von differenzieller Subsidenz und weniger aufgrund von lateraler Salzbewegung. Am südöstlichen Beckenhang läßt sich beobachten, daß der Isreali Slump Complex (ISC) zeitgleich mit dem Einsetzen von salztektonischen Störungen abgelagert wurde; dies deuten auf einen kausalen Zusammenhang zwischen Rutschungsprozessen und Salztektonik hin.
Die Überlagerung von Plattentektonik und Salztektonik wird an vielen Stellen offenbar: Der Störungsgürtel am Israelischye Hang resultiert im wesentlichen aus aktiver Strike-Slip-Tektonik, was sich anhand von Störungen zeigt, die vom Meeresboden bis tief unter die Evaporitschicht verlaufen. Krustensegmente, die durch die tiefen Störungszonen wie die Damietta-Latakia-, die Pelusium- und die Shelf-Edge-Hing-Linie begrenzt sind werden gestaucht. Die tektonische Situation ist südlich von 32°N, wo diese Störungszonen eine Biegung nach WEsten vollziehen, von Transpression bestimmt. Dadurch ergibt sich eine transpressive plattentektonische Komponente zusätzlich zu dem kompressiven salztektonischen Regime im Becken. Am östlichen Zypernbogen, der Konvergenzzone der Afrikanischen und der Anatolischen Platte, ist die Basis der Evaporite durch tiefgreifende Kompression stark deformiert, wohingegen am Eratosthenes Seamount hauptsächlich oberflächennahe Kompression beobachtet wird, die post-messinische Sedimente und die Oberkante der Evaporite beeinflußt, deren Basis aber ungestört läßt. Im Süden des Beckens, über einer 1.5 km dicken Evaporitschicht wird ein Schlammvulkan beobachtet, der auf den Namen 'St. Pauli' getauft wurde, und dessen Schlamm- oder Fluid-Reservoir anscheinend innerhalb der Evaporitschicht liegt.

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