3D rheological modelling in the Aegean Region and its importance for the seismotectonics of the area

Questo progetto di dottorato è stato dedicato alla modellazione termo-reologica della Regione Egea, al fine ultimo di migliorarne la caratterizzazione sismotettonica e la valutazione del rischio sismico. Il concetto alla base di questa ricerca è rappresentato dalla relazione tra i parametri reologici ottenuti dalla modellazione e le proprietà delle rocce corrispondenti in termini di comportamento sismogenico. Ai fini della modellazione reologica due meccanismi di deformazione principali sono stati selezionati: rispettivamente, lo scorrimento frizionale per il comportamento fragile e il creep secondo la legge di potenza per quello duttile. Per quanto riguarda la definizione degli intervalli dei valori dei parametri di input presenti nelle equazioni costitutive sono stati considerati principalmente dati di letteratura. Ulteriori osservazioni geologiche e geodinamiche sono state utilizzate per determinare i valori dei parametri frizionali, quali coefficiente d’attrito, pressione dei fluidi e regime tettonico. I risultati dei test di sensibilità indicano che i parametri termici sono i più influenti per quanto riguarda le proprietà della BDT. In una prima fase della modellazione reologica sono stati prodotti i profili reologici 1D per degli specifici test sites nella Regione Egea e sono poi stati confrontati con la distribuzione di profondità della sismicità rilocalizzata, al fine di testare la precisione nella corrispondenza tra la profondità della BDT e il limite in profondità della sismicità stessa. In una seconda fase, sono state ricostruite delle pseudo-sezioni 2D lungo dei transetti selezionati, riconducibili a differenti assetti geodinamici. Una particolare attenzione è stata rivolta al confronto tra assetti di subduzione oceanica e continentale. I risultati hanno evidenziato la presenza di un secondo strato fragile al di sotto della BDT più superficiale in assetto di collisione continentale, a differenza della zona di subduzione oceanica. La terza ed ultima fase della modellazione è consistita nella ricostruzione di un modello termo-reologico 3D completo per tutta la Regione Egea. Prendendo a riferimento la zona di subduzione, si può osservare come la BDT sia molto più superficiale (~10-20 km e sempre nella placca di tetto) nei settori interni rispetto alle aree esterne, dove la transizione si trova a ~40 km nella litosfera oceanica della placca di letto, ed a ~35 km nei settori continentali. In secondo luogo, la resistenza e la temperatura alla BDT sono generalmente ben correlate con la profondità della BDT stessa, cosicché valori di resistenza minori di 100 MPa caratterizzano i settori interni, mentre valori fino a ca. 1 GPa sono associati alle BDT nella litosfera oceanica. Per quanto riguarda l’interpretazione dei risultati, i modelli realizzati suggeriscono un controllo sulla profondità della BDT esercitato principalmente dal gradiente geotermico. I risultati ottenuti sono stati successivamente applicati in ambito sismotettonico e geodinamico per: i) stimare le magnitudo massime attese per le maggiori sorgenti sismogeniche; ii) calcolare gli strain rates sismici in volumi selezionati e iii) calcolare la resistenza totale delle placche tettoniche nell’area di studio. In conclusione, questo progetto è stato incentrato sulla caratterizzazione reologica della Regione Egea, per la quale è stato il primo a proporre un modello 3D completo della profondità della BDT e della resistenza e temperatura associate. Questa ricerca ha inoltre dimostrato che le proprietà reologiche possono essere collegate efficacemente ai processi sismogenici, e fungere quindi da validi strumenti per migliorare la caratterizzazione sismotettonica e la valutazione della pericolosità sismica.

The main topic of this Ph.D. research is the thermo-rheological modelling of the broader Aegean Region, for the purpose of seismotectonic and seismic hazard characterization. The concept behind this project resides in the link between rheological parameters obtained from the modelling and the properties of the corresponding rocks in terms of seismogenic behaviour. For the modelling, two dominant deformation mechanisms have been considered, namely the frictional sliding and the power-law creep representing, respectively, the brittle and the ductile behaviours. Literature data have been collected in order to define the proper range of values for most of the input parameters in the rheological constitutive equations. Additional geodynamic and geological considerations have been taken into account for determining the values of parameters such as the friction coefficient, the pore fluid pressure and the tectonic regime. Prior to the reconstruction of the strength envelopes, a detailed sensitivity analysis on the variability of the input parameters and their influence on the main thermo-rheological modelled properties has been carried out. The results of the sensitivity tests indicate that thermal-related parameters are the most influential ones for the BDT properties (depth and strength in particular). Dedicated and specific scripts have been developed in a Matlab environment for the purposes of the thermo-rheological modelling. In a first stage, 1D strength envelopes have been realized for specific test sites in the Aegean Region and have also been compared with the depth distribution of relocated seismicity, in order to test the precision and reliability of the correspondence between the BDT depth and the cutoff depth of seismicity. In a second phase, 2D rheological pseudo-sections have been reconstructed along several selected transects, belonging to different geodynamic settings. Particular care has been devoted to the comparison between continental and oceanic subduction settings. The results highlighted the occurrence of a deeper brittle layer below the shallowest BDT in the continental collision sectors, differently from the oceanic subduction setting. The third and last stage of the modelling consisted in the reconstruction of a complete 3D thermo-rheological model for the whole study area. Taking as a reference the subduction zone, it can be firstly observed that the BDT is much shallower (between 10 and 20 km, always in the upper plate) in the internal sectors with respect to the external areas, where the transition lies at ~40 km in the oceanic lithosphere of the lower plate, and at ~35 km in the continental sectors. Secondly, the strength and temperature at the BDT are generally well correlated with the BDT depth, meaning that strength values < 100 MPa characterize the internal sectors, while values up to 1 GPa are associated to the BDTs in the oceanic lithosphere. In terms of interpretation and explanation of the thermo-rheological results, all the models realized suggest that the main control on the BDT depth is exerted by the surface heat flow and the corresponding geothermal gradient. The results of the modelling have been successively applied mainly to the fields of seismotectonics and geodynamics for: i) estimating the maximum expected magnitudes of the major seismogenic sources in the Aegean Region; ii) calculating the seismic strain rates for selected volumes and iii) estimating the values of the total integrated strength for the tectonic plates in the study area. To conclude, this project has focused on the rheological characterization of the Aegean Region, being the first to propose a complete 3D model of the BDT depth and associated strength and temperature. This research has also demonstrated how the rheological properties can effectively be linked to the seismogenic processes, thus representing a valid tool for improving the seismotectonic characterization and, finally, the seismic hazard assessment.