تفسیر ساختار سنگ‎کره و پوسته در منطقه زاگرس با استفاده از مدل‌سازی داده‎های ارتفاعی، ژئویید و میدان پتانسیل (گرانی و مغناطیس)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، مؤسسه ژئوفیزیک، دانشگاه کیل، کیل، آلمان

2 استاد، مؤسسه ژئوفیزیک، دانشگاه کیل، کیل، آلمان

3 استاد، مؤسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

در این مطالعه از دو روش متفاوت مدل‌سازی پیشرو (مستقیم) به منظور مطالعه ساختار چگالی و پذیرفتاری مغناطیسی پوسته و گوشته بالایی استفاده شده است. محدوده مورد مطالعه یک نیمرخ دوبعدی واقع در محدوده زمین‌ساختی فرورانشی زاگرس است که در اثر برخورد صفحات اوراسیا و عربستان به وجود آمده است. مدل‌سازی داده گرانی با تمرکز بر مطالعه ساختار سنگ‌کره در یک چارچوب ترمودینامیکی انجام می‌شود که در آن کنترل ترکیب‌های شیمیایی گوشته بالایی اهمیت به سزایی دارد و امکان مطالعات ژرف روی ژرفای موهو و مرز میان سنگ‌کره و نرم‌کره را به وجود می‌آورد. بررسی ستبرای پوسته نشان می‌دهد که نازک‌ترین بخش پوسته در زیر صفحه عربستان و ایران مرکزی (42-43 کیلومتر) و ستبرترین بخش آن در زیر محدوده سنندج- سیرجان (55-63 کیلومتر) جای گرفته است. همچنین مطالعه ستبرای سنگ‌کره در نیمرخ مورد نظر بیانگر آن است که سنگ‌کره عربستان دارای ستبرای تقریبی 220 کیلومتر است که با حرکت به سوی شمال خاور ایران ستبرای آن در ایران مرکزی به 90 کیلومتر می‌رسد. اعداد به دست آمده برای ژرفای مرز سنگ‌کره و نرم‌کره نشان از آن دارد که نازک‌شدگی سنگ‌کره در منطقه گسترده‌ای رخ می‌دهد که از کمربند چین خورده زاگرس آغاز شده و تا محدوده سنندج- سیرجان و کمان ماگمایی ارومیه- دختر ادامه می‌یابد. بر پایه پیشنهادهای موجود در مورد تعیین تقریبی سن زمین‌شناسی منطقه، در این مطالعه از ترکیبات شیمیایی مربوط به میانگین سنی پروتروزوییک برای مدل‌سازی گوشته بالایی ایران و عربستان استفاده شد.  پس از مطالعه سنگ‌کره، با مدل‌سازی همزمان داده گرانی و مغناطیس، امکان بررسی چگونگی توزیع مقادیر چگالی و پذیرفتاری مغناطیسی در مقیاس پوسته فراهم می‌شود. در این مرحله افزون بر تعیین لایه‌های همجنس از دید گرانی و مغناطیس در پوسته، ژرفای لایه‌های مختلف تشکیل‌دهنده پوسته شامل رسوبات و پوسته بالایی، میانی و پایینی تا مرز موهو برآورد می‌شود. به عنوان یک نکته مهم، وجود گسل اصلی زاگرس در مدل پوسته سبب برازش بهتر داده گرانی می‌شود که نشان‌دهنده اهمیت لحاظ کردن این ساختار شناخته شده در تفاسیر ژئوفیزیکی است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Interpretation of structure of lithosphere and crust in Zagros region using modeling of topography, geoid, and potential field data (gravity and magnetic)

نویسندگان [English]

  • N. Mousavi 1
  • J. Ebbing 2
  • V. Ebrahimzadeh Ardestani 3
1 Ph.D. Student, Institute of Geophysics, University of Kiel, Kiel, Germany
2 Professor, Institute of Geophysics, University of Kiel, Kiel, Germany
3 Professor, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

We apply two forward methodologies in order to study density and susceptibility structure of the crust and upper mantle. The study area is a profile crossing the Zagros collision zone located as margin of Eurasia-Arabia converging plates. Gravity modeling focusing on lithospheric structure is performed in thermodynamic framework in which chemical composition is important and provides an understanding of deep layers in lithosphere like Moho and Lithosphere-Asthenosphere Boundary. Results on the crustal thickness show minimum values beneath the Arabia Platform and Central Iran (42–43 km), and maximum values beneath the Sanandaj Sirjan zone (SSZ; 55–63 km). Results on the lithosphere thickness a long profile also indicate that the Arabian lithosphere is approximately 220 km thick, toward North West of Iran especially below the Central Iran rises up to 90 km. In the profile (central Zagros), lithosphere thinning occurs in wider region, from the Zagros fold thrust belt to the Sanandaj Sirjan zone. Our results are based on application of average Proterozoic mantle compositions in modeling beneath the Arabian Platform, Mesopotamian Foreland Basin and Iranian Plateau. After rough estimation of upper crust via integrated modeling by elevation, gravity and geoid data, the distribution of density and magnetic susceptibility values allows us to perform a study in crustal scale. Afterwards, determination of the homogenous blocks with the same density and susceptibility, the geometry to different crustal layers including sediments, upper, middle and lower crust deep to Moho boundary were refined in crust-scale study based on regional model in lithospheric scale. Presence of Main Zagros Fault is a bold point in our modeling which leads to better fit of gravity data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lithosphere
  • Crust
  • potential field data
  • Modeling

Afonso, J. C., Fernàndez, M., Ranalli, G., Griffin, W. L. and Connolly, J. A. D., 2008- Integrated geophysical-petrological modeling of the lithosphere and sub-lithospheric upper mantle: methodology and applications. Geochem. Geophys. Geosyst. 9, Q05008, doi:10.1029/2007GC001834.

Agard, P., Omrani, J., Jolivet, L., Whitechurch, H., Vrielynck, B., Spakman, W., Monié, P.,  Meyer, B. and Wortel, R., 2011- Zagros orogeny: a subduction-dominated process. Geol. Mag. 148(5–6): 692–725.

Alinaghi, A., Kolakov, I. and Thybo, H., 2007- Seismic tomographic imaging of P- and S-waves velocity perturbations in the upper mantle beneath Iran. Geophys. J. Int. 169: 1089–1102.

Amante, C. and Eakins, B. W., 2009- ETOPO1 arc-minute global relief model: procedures, data sources and analysis. NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC-24, 19 pp.

Bird, P., 1978- Finite element modeling of lithosphere deformation: the Zagros collision orogeny. Tectonophysics 50: 307–336.

Connolly, J., 2005- Computation of phase equilibria by linear programming: a tool for geodynamic modeling and an application to subduction zone decarbonation, Earth planet. Sci. Lett., 236, 524–541.

Emami, H., Vergés, J., Nalpas, T., Gillespie, P., Sharp, I., Karpuz, R., Blanc, E. J. P. and Goodarzi, M. G. H., 2010- Structure of the Mountain Front Flexure along the Anaran anticline in the Pusht-e Kuh Arc (NW Zagros, Iran): insights from sand box models. In: Leturmy, P. and Robin, C., (eds) Tectonic and Stratigraphic Evolution of Zagros and Makran during the Mesozoic-Cenozoic, Geol. Soc. London Spec. Pub. 330: 155–78.

Förster, A., Förster, H. J., Masarweh, R., Masri, A. and Tarawneh, K., 2007- The surface heat flow of the Arabian Shield in Jordan. J. Asian Earth Sci. 30: 271–284.

Fullea, J., Fernàndez, M., Zeyen, H. and Vergés, J., 2007- A rapid method to map the crustaland lithospheric thickness using elevation, geoid anomaly and thermal analysis. Application to the Gibraltar Arc System, Atlas Mountains and adjacent zones. Tectonophysics 430: 97–117.

Ghasemi, A. and Talbot, C. J., 2006- A new tectonic scenario for the Sanandaj Sirjan Zone (Iran). J. Asian Earth Sci. 26: 683–693.

Jiménez-Munt, I., Fernàndez, M., Saura, E., Vergés, J., and Garcia-Castellanos, D., 2012- 3-D lithospheric structure and regional/residual Bouguer anomalies in the Arabia–Eurasia collision (Iran). Geophys. J. Int. 190: 1311–1324.

Kaviani, A., Paul, A., Bourova, E., Hatzfeld, D., Pedersen, H. and Mokhtari, M., 2007- A strong seismic velocity contrast in the shallow mantle across the Zagros collision zone (Iran), Geophys. J. Int. 171: 399–410.

Maggi, A. and Priestley, K., 2005- Surface waveform tomography of the Turkish–Iranian plateau. Geophys. J. Int. 160: 1068–1080.

Maus, S., Barckhausen, U., Berkenbosch, H., Bournas, N., Brozena, J., Childers, V., Dostaler, F., Fairhead, J. D., Finn, C., von Frese, R. R. B., Gaina, C., Golynsky, S., Kucks, R., Lühr, H., Milligan, P., Mogren, S., Müller, R. D., Olesen, O., Pilkington, M., Saltus, R., Schreckenberger, B., Thébault, E. and Caratori Tontini, F., 2009- EMAG2: A 2–arc min resolution Earth Magnetic Anomaly Grid compiled from satellite, airborne, and marine magnetic measurements. Geochem. Geophys. Geosyst. 10, Q08005, doi:10.1029/2009GC002471.

McQuarrie, N. and Van Hinsbergen, D. J. J., 2013- Retro-deforming the Arabia- Eurasia collision zone: age of collision versus magnitude of continental subduction. Geology 41: 315–318.

Molinaro, M., Zeyen, H. and Laurencin, X., 2005- Lithospheric structure beneath the southeastern Zagros Mountains, Iran: recent slab break-off?. Terra Nova 17: 1–6.

Morley, C. K., Kongwung, B., Julapour, A. A., Abdolghafourian, M., Hajian, M., Waples, D., Warren, J., Otterdoom, H., Srisuriyon, K. and Kazemi, H., 2009- Structural development of a major late Cenozoic basin and transpressional belt in central Iran: the Central Basin in the Qom-Saveh area. Geosphere 5(4): 325–362.

Motavalli-Anbaran, S. H., Zeyen, H., Brunet, M. F. and Ardestani, V. E., 2011- Crustal and lithospheric structure of the Alborz Mountains, Iran, and surrounding areas from integrated geophysical modeling. Tectonics 30: TC5012, doi:10.1029/2011TC002934.

Mouthereau, F., Lacombe, O. and Vergés, J., 2012- Building the Zagros collisional orogen: timing, strain distribution and the dynamics of Arabia/ Eurasia plate convergence. Tectonophysics 532–535: 27–60.

Paul, A., Hatzfeld, D., Kaviani, A., Tatar, M. and Péquegnat, C., 2010- Seismic imaging of the lithospheric structure of the Zagros mountain belt (Iran). Geol. Soc. Lond., Spec. Pub. 330: 5–18.

Paul, A., Kaviani, A., Hatzfeld, D., Vergne, J. and Mokhtari, M., 2006- Seismological evidence for crustal-scale thrusting in the Zagros mountain belt (Iran). Geophys. J. Int. 166: 227–237.

Pollack, H. N., Hurter, S. J. and Johnson, J. R., 1993- Heat-Flow from the Earth’s interior-analysis of the global data set. Rev. Geophys. 31: 267–280.

Rolandone, F., Lucazeau, F., Leroy, S., Mareschal, J. C., Jorand, R., Goutorbe, B. and Bouquerel, H., 2013- New heat flow measurements in Oman and the thermal state of the Arabian Shield and Platform. Tectonophysics 589: 77–89.

Sepehr, M. and Cosgrove, J. W., 2004- Structural framework of the Zagros fold-thrust belt, Iran. Mar. Petrol. Geol. 21(7): 829–843.

Shadmanaman, N., Shomali, H. and Koyi, H., 2011- New constraints on uppermantle S-velocity structure and crustal thickness of the Iranian plateau using partitioned waveform inversion. Geophys. J. Int. 184: 247–267.

Sherkati, S., Letouzey, Y. and Frizon de Lamotte, D., 2006- Central Zagros fold-thrust belt (Iran): new insights from seismic data, field observation and sandbox modeling. Tectonics 25: TC4007, doi:10.1029/2004TC001766.

Shomali, Z. H., Keshvari, F., Hassanzadeh, J. and Mirzaei, N., 2011- Lithospheric structure beneath the Zagros collision zone resolved by non-linear teleseismic tomography. Geophys. J. Int. 187(1): 394–406.

Snyder, D. B. and Barazangi, M., 1986- Deep crustal structure and flexure of the Arabian Plate beneath the Zagros collisional mountain belt as inferred from gravity observations. Tectonics 5(3): 361–373.

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. Geophys. J. Int. 177: 733–742.

Su, B. X., Chung, S. L.,  Zarrinkoub, M. H., Pang, K. N., Chen, L., Ji, W. K., Brewer, A., Ying, J. F. and Khatib, M. M., 2014- Composition and structure of the lithospheric mantle beneath NE-Iran: constraints from mantle xenoliths. Lithos 202–203: 267–282.

Talwani, M. and Heirtzler, J. R., 1964- Computation of magnetic anomalies caused by two dimensional bodies of arbitrary shape. In: Parks, G. A., Ed., Computers in the mineral industries, Part 1. Stanford Univ. Publ. Geological Sciences 9: 464-480.

Talwani, M., Worzel, J. L., and Landisman, M., 1959- Rapid gravity computations for two dimensional bodies with application to the Mendocino submarine fracture zone. J. Geophys. Res. 64: 49-59.

Tunini, L., Jiménez-Munt, I., Fernàndez, M., Vergés, J. and Villaseñor, A., 2015- Lithospheric mantle heterogeneities beneath the Zagros Mountains and the Iranian Plateau: a petrological-geophysical study. Geophys. J. Int. 200: 596–614.

Vergés, J., Saura, E., Casciello, E., Fernàndez, M., Villaseñor, A., Jiménez-Munt, I. and García- Castellanos, D., 2011- Crustal-scale cross-section across the NW Zagros Belt: implications for the Arabian Margin reconstruction. Geol. Mag. 148: 739–761.

Vilà, M., Fernàndez, M. and Jiménez-Munt, I., 2010- Radiogenic heat production variability of some common lithological groups and its significance to lithospheric thermal modeling. Tectonophysics 490: 152–164, doi:10.1016/j.tecto.2010.05.003.

Won, I. J. and Bevis, M., 1987- Computing the gravitational and magnetic anomalies due to a polygon. Algorithms and Fortran subroutines, Geophysics 52: 232-238.

Zeyen, H., Ayarza, P., Fernàndez, M. and Rimi, A., 2005- Lithospheric structure under the western African-European plate boundary: a transect across the Atlas Mountains and the Gulf of Cadiz. Tectonics 24, TC2001, doi:10.1029/2004TC001639.