Combining gravimetry, passive seismology and rock physical properties to constrain intra-crustal structures : the Ivrea Geophysical Body and the Gotthard Base Tunnel

Details

Ressource 1 Sous embargo jusqu'au 01/03/2022.
State: Public
Version: After imprimatur
License: Not specified
Serval ID
serval:BIB_C389D47C566C
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
Combining gravimetry, passive seismology and rock physical properties to constrain intra-crustal structures : the Ivrea Geophysical Body and the Gotthard Base Tunnel
Author(s)
Scarponi Matteo
Director(s)
Hetényi György
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Publication state
Accepted
Issued date
2021
Language
english
Abstract
The structure of the Alpine orogen is complex, and many areas present an imaging gap between regional geophysical and local geological information. In the frame of this thesis, I have performed joint investigations, collecting new gravity and passive seismic data and combining them with surface geological observations and rock sample laboratory analysis, to provide higher-resolution images and models of an intra-crustal and a shallow Alpine structure. I targeted the Ivrea Geophysical Body (IGB) and the Gotthard Base Tunnel (GBT), as they provide ideal areas for testing the resolution limits of passive geophysical investigations and addressing pending structural questions as well. The IGB, considered as a sliver of Adriatic lower lithosphere, located at unusually shallow depths along the inner arc of the Western Alps, is associated with well-known density and seismic velocity anomalies. Aiming at refining the IGB structure and its relationship with the geological Ivrea-Verbano Zone (IVZ) outcropping at the surface, I collected 207 new relative gravity data and I installed 10 broadband seismic stations which operated for 27 months. In a first, 3D gravity study, I compiled a surface rock- density map and used it to define a density-corrected gravity anomaly named Niggli anomaly. Modelling the Niggli anomaly allowed to address more properly the IGB structure at depth, the latter being modelled as a 3D, single density-contrast interface beneath the entire IVZ. From this, I obtained 400 ± 100 kg · m−3 as optimal density contrast, and a ∼ 20 km-wide protruding structure reaching as shallow as 1 ± 1 km depth below sea level. Petrological considerations allow to suggest ultramafic and mantle peridotite rocks as most likely components for the IGB. In a second, refined 2D study, the seismic data was also included to constrain the IGB model along the Val Sesia cross-section. A joint inversion was designed, exploiting seismic receiver functions and gravity anomalies, following an iterative inversion scheme to constrain the geometry and physical properties of the IGB. An optimal density contrast between 200 and 400 kg · m−3 was obtained, with shallow segments 1-3 km depth below sea level, and in agreement with rock physical properties indicated by previous studies. For the final study, along the GBT, I acquired 80 new relative gravity data points at the surface and used 77 points measured in the tunnel to test and constrain the geological model established during tunnel construction. To this end, I developed an iterative scheme with fully 3D, density-dependent gravity terrain-adaptation corrections, to then consistently compare the observations with the synthetics from the 2D geology-based density model. Density data models for various lithologies were compiled from the SAPHYR rock physics database. The results show that in situ rock densities provide a better fit to the observed gravity data, and that the geological structure of GBT proposed earlier can be reasonably fit with surface and tunnel geophysical data.
--
La structure de la chaîne alpine est complexe, et de nombreuses zones présentent une lacune de résolution entre les informations géophysiques à l’échelle régionale et les informations géologiques à l’échelle locale. Dans le cadre de cette thèse, j’ai récolté et analysé de nouvelles données gravimétriques et de sismique passive. Les données ont été analysées en combinaison avec des observations géologiques de surface et des analyses de laboratoire d’échantillons de roches, pour fournir des images et des modèles à plus haute résolution de la croûte terrestre alpine, à faible et moyenne profondeur. Je me suis concentré sur le Corps d’Ivrée (IGB) et sur le Tunnel de Base du Saint-Gothard (GBT), car ils représentent des zones idéales pour tester les limites de résolution de la géophysique passive, et pour répondre à des questions structurales d’intérêt. L’IGB, considéré comme une écaille de lithosphère inférieure de la plaque Adriatique situé à faible profondeur le long de l’arc intérieur des Alpes occidentales, est associé à des fortes anomalies de densité et de vitesse sismique. Dans le but d’affiner la structure de l’IGB et sa relation avec la zone géologique d’Ivrea-Verbano (IVZ), j’ai mesuré 207 nouveaux points gravimétriques, et j’ai installé 10 stations sismologiques large-bande pour 27 mois. Dans une première étude gravimétrique 3D, j’ai compilé une carte de densité de roches de surface, pour ensuite l’utiliser à définir une anomalie gravimétrique corrigée, nommé anomalie gravimétrique de Niggli. La modélisation de cette anomalie a permis de mieux décrire la structure de l’IGB en profondeur, cette dernière étant modélisée comme une interface de contraste de densité en 3D sous l’IVZ. A l’issue de cette modélisation, j’ai obtenu un contraste de densité optimal de 400 ± 100 kg ·m−3, et une structure incrustée de ∼ 20 km de large, à une profondeur aussi faible que 1 ± 1 km sous le niveau de la mer. Des considérations pétrologiques permettent de suggérer des roches ultra-mafiques et de péridotite du manteau comme les composantes les plus probables de l’IGB. Dans une deuxième étude en 2D, les données sismiques ont été incluses pour affiner le modèle de l’IGB le long du profil Val Sesia. Une inversion conjointe des données sismiques et gravimétriques a été conçue, suivant une approche itérative pour contraindre la géométrie et les propriétés physiques de l’IGB. Un contraste de densité optimal entre 200 et 400 kg · m−3 a été obtenu, avec des segments à faible profondeur atteignant 1 à 3 km sous le niveau de la mer, et en accord avec les propriétés physiques des roches indiquées par des études précédentes. Pour l’étude finale, le long du GBT, j’ai collecté 80 nouveaux points gravimétriques, et utilisé 77 points mesurés dans le tunnel pour tester et contraindre le modèle géologique établi lors de la construction du tunnel. À cette fin, j’ai développé un schéma itératif avec des corrections et adaptations gravimétrique de terrain entièrement en 3D et en fonction de la densité, pour ensuite comparer de manière cohérente les observations avec les résultats provenant du modèle de densité 2D basé sur la géologie. Des modèles de densité pour diverses lithologies ont été compilés à partir du catalogue de physique de roches SAPHYR. Les résultats montrent que les densités de roche in situ expliquent mieux les données gravimétriques, et que la structure du modèle géologique du GBT proposé précédemment peut être raisonnablement décrite avec des données géophysique de surface et du tunnel.
Create date
04/10/2021 11:05
Last modification date
11/11/2021 10:07
Usage data