Seismic Tomography and Earthquake Mechanism Beneath the Central Fennoscandian Shield

Abstract

The aim of this thesis was to study the seismic tomography structure of the earth’s crust together with earthquake distribution and mechanism beneath the central Fennoscandian Shield, mainly in southern and central Finland. The earthquake foci and some fault plane solutions are correlated with 3-D images of the velocity tomography. The results are discussed in relation to the stress field of the Shield and with other geophysical, e.g. geomagnetic, gravimetric, tectonic, and anisotropy studies of the Shield.

The earthquake data of the Fennoscandian Shield has been extracted from the Nordic earthquake parameter data base which was founded at the time of inception of the earthquake catalogue for northern Europe. Eight earlier earthquake source mechanisms are included in a pilot study on creating a novel technique for calculating an earthquake fault plane solution. Altogether, eleven source mechanisms of shallow, weak earthquakes are related in the 3-D tomography model to trace stresses of the crust in southern and central Finland.

The earthquakes in the eastern part of the Fennoscandian Shield represent low-active, intraplate seismicity. Earthquake mechanisms with NW-SE oriented horizontal compression confirm that the dominant stress field originates from the ridge-push force in the North Atlantic Ocean. Earthquakes accumulate in coastal areas, in intersections of tectonic lineaments, in main fault zones or are bordered by fault lines. The majority of Fennoscandian earthquakes concentrate on the south-western Shield in southern Norway and Sweden. Onwards, epicentres spread via the ridge of the Shield along the west-coast of the Gulf of Bothnia northwards along the Tornio River - Finnmark fault system to the Barents Sea, and branch out north-eastwards via the Kuusamo region to the White Sea – Kola Peninsula faults.

The local seismic tomographic method was applied to find the terrane distribution within the central parts of the Shield – the Svecofennian Orogen. From 300 local explosions a total of 19765 crustal Pg- and Sg-wave arrival times were inverted to create independent 3-D Vp and Vs tomographic models, from which the Vp/Vs ratio was calculated. The 3-D structure of the crust is presented as a P-wave and for the first time as an S-wave velocity model, and also as a Vp/Vs-ratio model of the SVEKALAPKO area that covers 700x800 km2 in southern and central Finland. Also, some P-wave Moho-reflection data was interpolated to image the relief of the crust-mantle boundary (i.e. Moho). In the tomography model, the seismic velocities vary smoothly. The lateral variations are larger for Vp (dVp =0.7 km/s) than for Vs (dVs =0.4 km/s). The Vp/Vs ratio varies spatially more distinctly than P- and S-wave velocities, usually from 1.70 to 1.74 in the upper crust and from 1.72 to 1.78 in the lower crust. Schist belts and their continuations at depth are associated with lower velocities and lower Vp/Vs ratios than in the granitoid areas.

The tomography modelling suggests that the Svecofennian Orogen was accreted from crustal blocks ranging in size from 100x100 km2 to 200x200 km2 in cross-sectional area. The intervening sedimentary belts have ca. 0.2 km/s lower P- and S-wave velocities and ca. 0.04 lower Vp/Vs ratios. Thus, the tomographic model supports the concept that the thick Svecofennian crust was accreted from several crustal terranes, some hidden, and that the crust was later modified by intra- and underplating.

In conclusion, as a novel approach the earthquake focal mechanism and focal depth distribution is discussed in relation to the 3-D tomography model. The schist belts and the transformation zones between the high- and low-velocity anomaly blocks are characterized by deeper earthquakes than the granitoid areas where shallow events dominate. Although only a few focal mechanisms were solved for southern Finland, there is a trend towards strike-slip and oblique strike-slip movements inside schist areas. The normal dip-slip type earthquakes are typical in the seismically active Kuusamo district in the NE edge of the SVEKALAPKO area, where the Archean crust is ca. 15-20 km thinner than the Proterozoic Svecofennian crust. Two near vertical dip-slip mechanism earthquakes occurred in the NE-SW junction between the Central Finland Granitoid Complex and the Vyborg rapakivi batholith, where high Vp/Vs-ratio deep-set intrusion splits the southern Finland schist belt into two parts in the tomography model.

Tämä väitöskirja yhdistää kaksi laajaa seismologista tutkimusaluetta: kolmiulotteisen seisminen rakenteen ja maanjäristykset Fennoskandian kilven keskialueella, erityisesti Etelä- ja Keski-Suomen maankuoressa. Fennoskandian kilpialue kuuluu maapallon ylimmän noin sadan – kahden sadan kilometrin paksuisen Euraasian litosfäärilaatan sisäosaan. Kilven maanjäristykset ovat heikkoja tai kohtalaisen voimakkaita ilmaisten laatan sisäisen jännitystilan purkautumista.

Väitöskirjan osana on Fennoskandian maanjäristysluettelo, joka on luotu kokoamalla yhteen maanjäristystiedot kaikista mahdollisista painetuista lähteistä vuodesta 1375 vuoteen 1989. Yhteispohjoismainen maanjäristysdatapankki perustettiin 1980-luvulla Helsingin yliopiston seismologian laitokselle. Fennoskandian maanjäristysluetteloa on päivitetty jatkuvasti ja se sisältää nykyään yli 13 000 Pohjois-Euroopan maanjäristyksen lähdeparametrit.

Fennoskandian maanjäristyksistä yli 75 prosenttia on sattunut Norjan länsirannikolla, Norjan merellä ja mannerjalustalla, Pohjanmerellä ja Pohjois-Atlantilla. Maanjäristykset jakavat Fennoskandian seismisiin vyöhykkeisiin, esimerkkinä Pohjanlahden länsirannikon vyöhyke Torniojokilaakson ja Ruijan kautta Barentsin merelle ja Pohjoiselle jäämerelle aina Huippuvuorille saakka. Merenkurkussa seismisyysvyöhyke haarautuu koilliseen osaan Kuusamon ja Vienanmeren kautta Kuolan niemimaalle.

Maanjäristysten mekanismit Fennoskandian kilvellä ilmaisevat vallitsevaa kaakko-luoteissuuntaista maksimaalista vaakajännitystä. Tämä tukee teoriaa, jonka mukaan Pohjois-Atlantin keskiselänteeltä työntyvä horisontaalinen jännitys on kilven maanjäristyksiä aiheuttava pääsyy. Toisena maanjäristyksiä laukaisevana tekijänä pidetään viimeisen jääkauden jälkeistä maannousua.

Maankuoren kolmiulotteista rakennetta mallinnettiin soveltamalla seismistä tomografiamenetelmää P- ja S-aaltojen kulkuaikahavaintoihin, jotka mitattiin paikallisten räjäytysten rekisteröinneistä. Erityisesti kansainvälisen EUROPROBE / SVEKALAPKO -hankkeen seismisen tomografiaprojektin asemaverkon rekisteröinnit Etelä- ja Keski-Suomen alueella muodostivat merkittävän osan havainnoista. Lisäksi käytettiin hyväksi seismisten luotausprojektien rekisteröinneistä mitattujen P- ja S-aaltojen kulkuaikoja. Yhteensä noin 20 000 havainnosta muodostettiin tomografia-menetelmän avulla kolmiulotteinen seisminen nopeusrakenne aina 40 kilometrin syvyydelle maankuoressa. Ensimmäistä kertaa laskettiin absoluuttiset toisistaan riippumattomat P- ja S-nopeusmallit sekä näiden nopeussuhteen kolmiulotteinen jakauma. P- ja S-aaltojen nopeussuhde on verrannollinen Poissonin vakioon, joka ilmaisee maan fysikaalista kimmo-ominaisuutta ts. väliaineen muuntautumista suhteessa siihen kohdistuvaan jännitykseen. Tomografiatulokset osoittavat seismisten nopeuksien jakavan maankuoren sekä hitaisiin että nopeisiin alueisiin. Hitaat nopeudet ovat tyypillisiä hiertovyöhykkeillä, esimerkiksi Pohjanmaan, Etelä-Suomen, Outokummun ja Savon vyöhykkeillä. Graniittiset alueet kuten Keski-Suomen granitoidikompleksi ja Viipurin rapakivialue ovat seismisesti nopeita alueita. Arkeeiset Karjalan ja Inarin alueet ovat myös seismisesti nopeita alueita.

Yhdistämällä maankuoren nopeusrakenne maanjäristyksiin ja niiden mekanismeihin saadaan uutta tietoa Fennoskandian kilven keskialueen dynamiikasta. Näin voidaan selvittää missä sijaitsevat seismisesti aktiiviset alueet, missä suunnissa jännitykset vapautuvat sekä mihin siirroksiin ja geologisiin yksiköihin maanjäristykset liittyvät.