An investigation of anatolian-african subduction zone in southwestern Turkey: Lithospheric structure beneath Isparta angle (IA) and the surroundings from rayleigh wave phase velocity inversion

Abstract

Türkiye'nin jeodinamiği; Afrika, Avrasya ve Arap plakalarının birbirleriyle olan tektonik etkileşimlerinden ötürü karmaşıklık göstermektedir. Bu etkileşimler bölge ve yakın çevresinde sismisitenin yoğun olmasına ve iç deformasyona sebebiyet vermektedir. Afrika plakasının Helenik ve Kıbrıs yayları boyunca Batı Anadolu'nun altına dalması resimi daha da karmaşık hale getirmektedir. Bu çerçevede, Isparta Büklümü (IB) Doğu Akdenizdeki neotektonik gelişimlerin anlaşılması açısından önemli bir rol oynamaktadır. Bu araştırmada, IB ve çevresi altındaki üst manto yapısı hakkında yüzey dalgaları tomografisi yöntemi kullanılarak bilgi edinilmesi amaçlanmaktadır. Frekans içeriklerine bağlı olarak Rayleigh yüzey dalgaları kabuk ve üst mantodaki çeşitli derinliklerde hız değişimlerini görüntülememize yardımcı olmaktadır. Bu bağlamda, `İkili Düzlem Dalga` tekniğini çalışmamıza adapte ettik. Bu yöntem ile güneybatı Türkiye altındaki üç-boyutlu yapıyı güvenilir bir biçimde haritalayabilme imkanını elde edeceğiz.Ağustos 2006 ile Eylül 2009 tarihleri arasında meydana gelen büyüklüğü 5.5 in üzerinde olan telesismik depremler (30° < episantır uzaklık < 120°) Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü (KRDAE), Süleyman Demirel Üniversitesi (SDÜ) ve IRIS/GEOFON kalıcı sismik ağlarına ait kalıcı istasyonlara ek olarak, bölgede Missouri Üniversitesi ve Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) desteği ile kurulan geçici istasyonlar (toplam 48 adet sensör) tarafından kaydedildi. Düşey sismogramların detaylı analizini takiben, iki boyutlu faz hızları ters çözümünde girdi olarak kullanılacak olan bir boyutlu (1-B) dispersiyon eğrisini oluşturduk. Faz hızı haritalarını fartkı periyodlardaki yatay kesitlerde haritaladık. Yüzey dalgaları farklı derinlik aralıklarından bütünleşik bilgi getirdiğinden ötürü, Güneybatı Türkiye altındaki mutlak S dalgası hız dağılımını yaklaşık 250 km derinliğe kadar saptayabilmek için bir dizi terz cözüm uyguladık. Üç boyutlu S dalgası hız modelinin belirlenmesi, Afrika-Anadolu yitim mekanizmasının karmaşık levha geometrisi ile ilgili önemli hususlara ışık tuttu. Elde edilen yüksek ve düşük hız anomalileri, bize yitim zonlarının doğasını oluşturan levha kopması, levha yırtılması, astenosferik malzeme yükselimi ve volkanizma hakkında faydalı fikirler verdi. Sağlıklı yorumlar yapılabilmesi amacı ile, bu çalışmanın sonuçları güncel ve daha eski çalışmalarla karşılaştırıldı.

Geodynamics of Turkey is complicated by the tectonic interactions between Africa, Eurasia and Arabian plates. These processes lead to high seismic activity and internal deformation beneath this region and its vicinity. Subduction of African Plate beneath Western Anatolia along Hellenic and Cyprus Arcs even more complicates the overall picture. In this sense, Isparta Angle (IA) plays a key role in understanding the neotectonic development of the Eastern Mediterranean. In this research, our goal is to put consistent constraints on the upper mantle structure beneath IA and the surroundings via Rayleigh wave tomography method. Depending on their frequency content, surface waves help us image the velocity variations at various depth ranges. In this regard, we adopted a phase velocity inversion technique named as `Two-plane wave method`. With the use of this method, we will be able to effectively map the three-dimensional (3-D) velocity structure and amplitude variations beneath southwestern Turkey to a certain extent. In August 2006 - September 2009 time frame, we recorded teleseismic earthquakes (30 < < 120) with magnitudes greater than 5.5 using the permanent seismic networks of Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute (KOERI), Süleyman Demirel University (SDU) and IRIS/GEOFON together with temporary stations (a total of 48 sensors) deployed with support from Missouri University and Boğaziçi Research Fund (BAP). Following the detailed analysis of vertical component seismograms, we calculated a one-dimensional (1-D) dispersion curve which served as an input for two dimensional (2-D) phase velocity inversions. Phase velocity maps were generated and displayed in several horizontal cross sections at various periods. Since surface waves bring integrated information from certain depth ranges, we also performed other series of inversions to determine the absolute shear wave velocity distribution beneath Southwestern Turkey down to a depth of nearly 250 km. Furthermore, construction of a 3-D shear velocity model enabled us to address the significant issues regarding the complex slab geometry of Anatolian-African subduction mechanism. The locations of pronounced fast and slow velocity anomalies provided us useful insights about the important elements that mostly define the nature of subduction such as slab detachment, slab tearing, asthenospheric upwelling, and volcanism etc. The outcomes of this study have been compared to most recent and previous studies to make reliable interpretations.