The structure of the lithosphere of the Black Sea by the results of 3D gravity analysis and seismic tomography

T. P. Egorova; B. S. Gobarenko; T. B. Yanovskaya; K. P. Baranova

doi:10.24028/gzh.0203-3100.v34i5.2012.116662

Authors

T. P. Egorova Institute of Geophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Ukraine
B. S. Gobarenko Institute of Geophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Ukraine
T. B. Yanovskaya St. Petersburg University, Russian Federation
K. P. Baranova Institute of Geophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v34i5.2012.116662

Abstract

3D gravity analysis and local seismic tomography have been performed to study the lithosphere structure of the Black Sea. Due to gravity analysis gravity effects of different layers and levels of the model (sea water, four layers in sediments, consolidated crust) have been distinguished and residual gravity anomalies of mantle origin have been obtained. Long-wave component of these anomalies forms the vast area of positive values with small amplitude that indicates good isostatic balance of deep structures of the Black Sea. Velocity structure of lithospheric mantle of the Black Sea (down to the depth of 85 km) was studied by local seismic tomography which used travel times of P-waves from the earthquakes occurred inside the region and recorded by a net of seismic stations around the Black Sea. Results of seismic tomography study indicate heterogeneous structure of the upper mantle of the Black Sea with dominant areas of increased velocities in the western and eastern parts of the sea. Joining of two methods - gravity analysis and seismic tomography has been carried out by calculation of gravity effect of the upper mantle heterogeneities obtained by seismic tomography. Correspondence of the sign and order of magnitude of anomalous mantle gravity field obtained by two mentioned independent methods gives us an opportunity to conclude on the presence of sufficiently rigid continental lithosphere under the Black Sea.

References

Адамия Ш.А., Гамкрелидзе И.П., Закариадзе Г.С., Лордкипанидзе М.Б. Аджаро-Триалетский прогиб и проблема образования глубоководной впадины Черного моря // Геотектоника. - 1974. -1. - С. 78-94.

Баранова Е.П., Егорова Т.П., Омельченко В.Д. Переинтерпретация сейсмических материалов ГСЗ и гравитационное моделирование по профилям 25, 28 и 29 в Черном и Азовском морях // Геофиз. журн. - 2008. - 30, № 5. -С. 124-144.

Белоусов В.В., Вольвовский Б.С. (отв. ред.). Строение и эволюция земной коры и верхней мантии Черного моря. - Москва: Наука, 1989. - 208 с.

Бугаенко И. В., Шумлянская Л.А., Заец Л.Н., Цветкова Т.А Трехмерная Р-скоростная модель мантии Черного моря и прилегающей территории // Геофиз. журн. - 2008. - 30, № 5. - С. 145-160.

Бурьянов В.Б., Павленкова Н.И. О строении земной коры Горного Крыма // Советская геология. - 1974. - 7. - С. 112-119.

Бурьянов В.Б., Соловьев В.Д. Исследование гравитационных максимумов северного и западного обрамления Черноморской впадины//Геофизические параметры литосферы южного сектора Альпийского орогена. - Киев: Наук. думка, 1996. - С. 111-119.

Бурьянов В. Б., Гордиенко В. В., Русаков О.М., Соловьев В.Д., Старостенко В. И. Гравитационное поле. Геофизическая характеристика земной коры // Строение и эволюция земной коры и верхней мантии Черного моря. - Москва: Наука, 1989. - С. 83-90.

Геофизические параметры литосферы южного сектора Альпийского орогена / Отв. ред. Б.С. Вольвовский, В. И. Старостенко. - Киев: Наук. думка, 1996. - 215 с.

Гобаренко В.С., Егорова Т.П. Структура литосферы и геодинамика Западно- и ВосточноЧерноморской впадин / / Физика Земли. - 2010. - 6. - С. 49-66.

Гобаренко В.С., Егорова Т.П. Трехмерная Р-скоростная модель литосферы Черного моря по данным локальной сейсмической томографии // Геофиз. журн. - 2008. - 30, № 5. - С. 161- 177.

Гобаренко В.С., Яновская Т.Б. Скоростная структура верхних этажей мантии бассейна Черного моря // Геофиз. журн. - 2011. - 33, №3. -С. 62-74.

Гобаренко В. С., Гордиенко В.В., Завгородняя О.В., Кулик С.Н., Логвинов И.М., Нестеров А.Н., Стадниченко В.Н., Якоби Н.М. Аномальное тело в земной коре Южного Крыма // Геофиз. журн. - 1991. - 13, № 6. - С. 29-38.

Гордиенко В. В., Гордиенко И. В., Завгородняя О. В., Усенко О.В. Тепловое поле территории Украины. - Киев: Знание Украины, 2002. - 170 с.

Егорова Т.П. Характеристика литосферы осадочных бассейнов Европы по данным регионального гравитационного моделирования // Геофиз. журн. - 2001. - 21, № 3. - С. 55-71.

Егорова Т. П., Козленко В. Г., Макаренко И. Б., Старостенко В. И. Трехмерная плотностная модель земной коры и верхней мантии. Тектоносфера Черноморского региона // Геофизические параметры литосферы южного сектора Альпийского орогена. - Киев: Наук. думка, 1996. -С. 73-89.

Ентин В.А., Гинтов О.Б., Гуськов С.И. Еще раз о природе Крымской гравитационной аномалии // Геофиз. журн. - 2010. - 32, № 6. - С. 119-134.

Кобзарь В.М. Тепловой поток и блоковое строение литосферы Черноморской впадины // Геофиз. журн. - 1987. - 9, № 4. - С. 89-94.

Королева Т.Ю., Яновская Т.Б., Патрушева С.С. Скоростное строение верхней мантии Восточно-Европейской платформы по данным сейсмического шума // Физика Земли. - 2010. - 10. - С. 38-47.

Краснопевцева Г.В. Глубинное строение Кавказского региона // Геофизические параметры литосферы южного сектора Альпийского орогена. - Киев: Наук. думка, 1996. - С. 151-178.

Кутас Р. И., Коболев В. П., Цвященко В. А., Бевзюк М.И., Кравчук О.Р. Геотермическая модель Черноморского бассейна // Геофиз. журн. - 1997. - 19, № 6. - C. 70-83.

Старостенко В. И., Легостаева О. В. Прямая задача гравиметрии для неоднородной произвольно усеченной вертикальной прямоугольной призмы // Физика Земли. - 1998. - 12. -C. 31-44.

Старостенко В. И., Макаренко И. Б., Русаков О.М., Пашкевич И.К., Кутас Р.И., Легостаева О.В. Геофизические неоднородности литосферы мегавпадины Черного моря // Геофиз. журн. - 2011. - 32, № 5. - С. 3-20.

Туголесов Д.А., Горшков А.С., Мейснер Л.Б., Соловьев В.В., Хахалев В.И. Тектоника мезокай-нозойских отложений Черноморской впадины. -Москва: Недра, 1985. - 215 с.

Чекунов А. В. Проблемы геологии Черноморской впадины // Строение и эволюция земной коры и верхней мантии Черного моря. - Москва: Наука, 1989. - С. 145-160.

Шрейдер А.А., Казмин В.Г., Лыгин В.С. Магнитные аномалии и проблема возраста котловины Черного моря // Геотектоника. - 1997. - 1. - C. 59-70.

Щерба И. Г. Палеогеновый бассейн Кавказа // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отд. геологический. - 1994. - 69. - С. 71-80.

Amaru M. Global travel time tomography with 3D reference models: PhD Thesis. - Utrecht University, Utrecht. - 2007. - 173 p.

Artemjev M.E., Kaban M.K., Kucherinenko V.A., Demyanov G. V, Taranov V.A. Subcrustal density inhomogeneities of Northern Eurasia as derived from the gravity data and isostatic models of the lithosphere // Tectonophysics. - 1994. - 240. -P. 249-280.

Banks C.J., Robinson A. Mesozoic strike-slip back-arc basins of the western Black Sea region // Regional and Petroleum Geology of the Black Sea and Surrounding Region // AAPG Memoir. - 1997. - 68. - P. 53-62.

Banks C.J., Robinson A. G, Williams M.P. Structure and regional tectonics of the Achara-Trialet Fold Belt and the adjacent Rioni and Kartli foreland basins, Republic of Georgia // Regional and Petroleum Geology of the Black Sea and Surrounding Region // AAPG Memoir. - 1997. - 68. -P. 331-345

Barrier E., Vrienlynck B. Paleotectonic maps of the Middle East, Atlas of 14 maps, Tectonosedimentary-Palinspatic maps from Late Norian to Pliocene. Commission for the Geologic Map of the Word (CGMW-CCGM-UNESCO). - Paris, France, 2008.

Belousov V. V., Volvovsky B. S., Arkhipov I. V., Buryanov V. B., Evsyukov Y. D., Goncharov V. P., Gordienko V. V., Ismagilov D. F., Kislov G. K., Kogan L. I., Kondyurin A.V., Kozlov V. N., Lebedev L.I., Lokholatnikov V.M., Malovitsky Y.P., Moskalenko V. N., Neprochnov Y. P., Ostisty B. K., Rusakov O.M., Shimkus K.M., Shlezinger A.E., Sochelnicov V. V., Sollogub V. B., Solovyev V. D., Starostenko V. I., Starovoitov A. F., Terechov A. A., Volvovsky I. S., Shigunov A. S., Zolotarev V. G. Structure and Evolution of the Earth's Crust and Upper Mantle of the Black Sea // Boll. di Geofis. Teorica ed Applicata. - 1988. - XXX/117-118. -P. 109-196.

Bijwaard H., Spakman W., Engdahl E. Closing the gap between regional and global travel time tomography // J. Geophys. Res. - 1998. - 103 (B12). - P. 30,055-30,078.

Brunet M.-F., Korotaev M. V., Ershov A. V., Niki-shin A.M. The South-Caspian Basin: a review of its evolution from subsidence modeling // Sedimentary Geology. - 2003. - 156. - P. 119-148.

Cloetingh S., Spadini G., Van Wees J.D., Beekman F. Thermo-mechanical modeling of Black Sea Basin (de)formation // Sedimentary Geology. - 2003. -156. - P. 169-184.

Clowes R.M., Hyndman R.D. Geophysical studies of the northern Cascadia subduction zone off western Canada and their implications for great earthquake seismotectonics: a review // Seismo-tectonics in Convergent Plate Boundary. - Tokyo: Terra Sci. Publ. Company, 2002. - P. 1-23.

Dercourt J., Ricou L. E., Vrienlynk B. Atlas Tethys Palaeoenviromental Maps. - Paris: Gauthier-Villars, 1993. - 307 p.

Dewey J.F., Pittman W.C., Ryan W.B.F., Bonnin J. Plate tectonics and the evolution of the Alpine system // Geol. Soc. Am. Bull. - 1973. - 84. -P. 3137-3180.

Dziewonski A.M., Anderson D.L. Preliminary reference Earth model // Phys. Earth Planet. Int. -1981. - 25. - P. 297-356.

Finetti I., Bricchi G., Del Ben A., Pipan M., Xuan Z. Geophysical study of the Black Sea // Boll. Geofis. Teor. Appl. - 1988. - XXX/117-118. - P. 197-324.

Finn C. Aeromagnetic evidence for a buried Early Cretaceous magmatic arc, northeast Japan // J. Geophys. Res. - 1994. - 99. - P. 22165-22185.

Gorur N. Timing of opening of the Black Sea Basin //Tectonophysics. - 1988. - 147. - P. 247-262.

Golonka J. Plate tectonic evolution of the southern margin of Eurasia in the Mesozoic and Cenozoic //Tectonophysics. - 2004. - 381. - P. 235-273.

Grad M., Tiira T. and the ESC Working Group. The Moho depth map of the European Plate // Geophys. J. Int. - 2009. - 176. - P. 279-292.

Hippolite J.-C. Geodynamics of Dobrogea (Romania): new constraints on the evolution of the Torn-quist - Teisseyre Line, the Black Sea and the Carpathians // Tectonophysics. - 2002. - 357. -P. 33-53.

Kostyuchenko S., Morozov A., Stephenson R.A., Solodilov L.N., Vedrentsev A.G., Popolitov K.E., Aleshina A.F., Vishnevskaya V.S, Yegorova T.P. The evolution of the southern margin of the East European Craton based on seismic, gravity, and magnetic data in pre-Mesozoic time // Tectonophysics. - 2004. - 381. - P. 101-118.

Kutas R.I., Poort J. Regional and local geothermal conditions in the northern Black Sea // Int. J. Earth Sci. - 2008. - 97 (2). - P. 353-363.

Laske G., Masters G., Reif C. A new global crustal model at 2 x 2 degrees. - 2000. - http://mahi. ucsd.edu/Gabi/rem.html.

Letouzey J., Bijou-Duval B., Dorkel A., Gonnard R., Kristchev K., Montadert L., Sungurlu O. The Black Sea: a marginal basin; geophysical and geological data // International Symposium on the Structural History of the Mediterranean Basins. - Paris: Editions Technip, 1977. - P. 363-376.

Ludwig W.J., Nafe J.E., Drake C.L. Seismic refraction//The Sea. - New York: John Wiley & Sons., 1971. - 4. - P. 53-84.

Marquering H., Snieder R. Shear-wave velocity structure beneath Europe, the northeastern Atlantic and western Asia from waveform inversions including surface-wave mode coupling // Geo-phys. J. Int. -1996. - 127. - P. 283-304.

Meredith D.J., Egan S.S. The geological and geodynamic evolution of the eastern Black Sea basin: insights from 2D and 3 D tectonic modeling // Tectonophysics. - 2002. - 350. - P. 157-179.

Montagner J.-P., Anderson D.L. Constrained reference mantle model // Phys. Earth Planet. Int. - 1989. - 58. - p. 205-227.

Nikishin A.M., Korotaev AM., Ershov A.V., Brunet M.-F. The Black Sea basin: tectonic history and Neogene-Quaternary rapid subsidence modeling // Sedimentary Geology. - 2003. - 156. - P. 149- 168.

Nikishin A.M., Ziegler P.A., Panov D.I., Nazarevich B.P., Brunet M.F., Stephenson R.A., Bolotov S.N., Korotaev M. V., Tikhomirov P. L. Mesozoic and Cainozoic evolution of the Scytian Platform - Black Sea - Caucacus domain // Peri-Tethys Memoir 6: Peri-Tethyan Rift / Wrench Basins and Passive Margins // Mem. Mus. Natl. Hist. Nat., Ser. A (Paris). - 2001. - 186. - P. 295-346.

Okay A. I., §engor A.M.C., Gorur N. Kinematic history of the opening of the Black Sea and its effect on the surrounding regions // Geology. - 1994. - 22. - P. 267-270.

Okay A.I., Tansel I., Tuysuz O. Obduction, subduction and collision as reflected in the Upper Cretaceous-Lower Eocene sedimentary record of western Turkey // Geol. Mag. - 2001. - 138(2). - P. 117-142.

Pease P., Daly J.S., Elming S.-A., Kumpulainen R., Mosoczydlowska M., Puchkov V., Roberts D., Saintot A., Stephenson R. Baltica in the Cryogenian, 850-630 Ma // Precambrian Res. - 2008. - 160. - P. 46-65.

Piromallo C., Morelli A. P-wave tomography of the mantle under the Alpine-Mediterranean and Europe // J. Geophys. Res. - 2003. - 108 (B2). - 2065. - D0I:10.1029/2002JB001757.

Robinson A. G., Kerusov E. Stratigraphic and structural development of the Gulf of Odessa, Ukrainian Black Sea: implications for petroleum explorations // Regional and Petroleum Geology of the Black Sea and Surrounding Region // AAPG Memoir. - 1997. - 68. - P. 369-380.

Robinson A.G., Rudat J.H., Banks C.J., Wiles R.L.F. Petroleum geology of the Black Sea // Marine Petrol. Geology. - 1996. - 13. - P. 195-223.

Sandulesku M. Overview on Romanian geology // Alcapa II Field Guidebook: Geological Evolution of the Alpine-Carpathian-Pannonian System // Romanian J. Tectonics and Regional Geology. - 1994. - 74. - P. 3-15.

Sandulesku M. The Moesian Platform and the North Dobrogean orogen // Geological atlas of Alpine Europe and adjoining areas. - Amsterdam: Elsevier, 1978. - P. 427-460

Saintot A., Brunet M.-F., Yakovlev F., Sebrier M., Stephenson R., Ershov A., Chalot-Prat F., McCann T. The Mesozoic-Cenozoic evolution of the Greater Caucasus//European Lithosphere Dynamics. - London: Memoirs Geological Society, 2006. - 32. - P. 277-289.

Scott C.L., Shillington D.J., Minshull T.A., Edwards R.A., Brown P.J., White, N.J. Wide-angle seismic data reveal extensive overpressures in the Eastern Black Sea Basin // Geophys. J. Int. - 2009. - 178. - P. 1145-1163.

Seghedi A., Oaie G. Tectonic setting of two contrasting types of pre-alpine basement: North versus Central Dobrogea//Romanian Journal of Tectonics and Regional Geology. - 1994. - 75. - P. 56-57.

Shillington D.J., Scott C.L., Minshull T.A., Edwards R.A., Brown P.J., White N. Abrupt transition from magma-starved to magmarich rifting in the eastern Black Sea // Geology. - 2009. - 37, № 1. - P. 7-10.

Shillington D.J., White N., Minshull T.A., Edwards G.R.H., Jones S., Edwards R.A., Scott C.L. Cenozoic evolution of the eastern Black Sea: A test of depth-dependent stretching models // Earth Planet. Sci. Let. - 2008. - 265. - P. 360-378. - DOI: 10.1016/j.epsl.2007.10.033.

Spadini G., Robinson A., Cloetingh S. Western versus Eastern Black Sea tectonic evolution: prerift lithospheric controls on basin formation // Tectonophysics. - 1996. - 266. - P. 139-154.

Spakman W., Van Der Lee S., Van Der Hilst R. Travel-time tomography of the European-Mediterranean mantle down to 1400 km // Phys. Earth Planet. Int. - 1993. - 79. - P. 3-74.

Starostenko V., Buryanov V., Makarenko I., Rusa -kov O., Stephenson R., Nikishin A., Georgiev G., Gerasimov M., Dimitriu R., Legostaeva O., Pchelarov V., Sava C. Topography of the crust-mantle boundary beneath the Black Sea Basin // Tectonophysics. - 2004. - 381. - P. 211-233.

Stephenson R., Schellart W.P. The Black Sea back-arc basin: insights on its origin from geodynamic models of modern analogues // Sedimentary Basin Tectonics from the Black Sea and Caucasus to the Arabian Platform. - London: Spec. Publ. Geol. Soc., 2010. - 340. - P. 11-21.

Tesauro M., Kaban M., Cloetingh S. A new thermal and rheological model of the European litho -sphere // Tectonophysics. - 2009. - 476. - P. 478-495.

Visarion M., Sandulesku M., Ro$ca V., Stanica D., Atanasiu L. La Dobrogea dans le cadre l'avant-pays carpathique//Rev. Roum. Geophys. - 1990. -34. - P. 55-65.

Winchester J.A., Pharaoh T.C., Ioane D., Seghedi A. Palaeozoic accretion of Gondwana-derived terra-nes to the East European Craton: recognition of detached terrane fragments dispersed after collision with promentaries // European Lithosphere Dynamics. - London: Memoirs Geol. Soc., 2006. - 32. - P. 323-332.

Wybraniec S., Zhou S., Thybo H., Forsberg R., Perhuc E., Lee M.K., Demianov G.D., Strakhov V.N. New map compiled of Europe's gravity field // Eos, Transactions, Amer. Geophys. Union. - 1998. -79. - P. 437-442.

Yegorova T., Gobarenko V. Structure of the Earth's crust and upper mantle of West- and East-Black Sea Basins revealed from geophysical data and its tectonic implications // Sedimentary Basin Tectonics from the Black Sea and Caucasus to the Arabian Platform. - London: Spec. Publ. Geol. Soc., 2010. - 340. - P. 23-42.

Yegorova T.P., Starostenko V.I. Lithosphere structure of the sedimentary basins in Europe according to large-scale 3D gravity modeling // Tectonophysics. - 2002 a. - 346. - P. 5-21.

Yegorova T.P., Starostenko V.I. Lithosphere structure of Europe and Northern Atlantic from regional three-dimensional gravity modeling // Geophys. J. Int. - 2002 6. - 151. - P. 11-31.

Yegorova T.P., Baranova E.P., Omelchenko V.D. The crustal structure of the Black Sea from reinterpretation of Deep Seismic Sounding data acquired in the 1960 s // Sedimentary Basin Tectonics from the Black Sea and Caucasus to the Arabian

Platform. - London: Spec. Publ. Geol. Soc., 2010. - 340. - P. 43-56.

Yegorova T, Bakhmutov V., Janik T., Grad M. Joint geophysical and petrological models for the lithosphere structure of the Antarctic Peninsula continental margin // Geophys. J. Int. - 2011.- 184. - P. 90-110.

Yegorova T. P., Bayer U., Thybo H., Maystrenko Y., Scheck-Wenderoth M., Lyngsie S.B. Gravity signals from the lithosphere in the Central European Basin System // Tectonophysics. - 2007. - 429. - P. 133-163.

Zonenshain L.P., Le Pichon X. Deep basins of the Black Sea and Caspian Sea as remnants of the Mesozoic back-arc basins // Tectonophysics. - 1986. - 123. - P. 181-212.