Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Universiẗat, Diss.--Bonn, 2007.

Ein transversales Störungssystem im Nahen Osten, die Dead Sea Transform (DST), trennt die Arabische Platte von der Sinai-Mikroplatte und erstreckt sich von Süden nach Norden vom Extensionsgebiet im Roten Meer über das Tote Meer bis zur Taurus-Zagros Kollisionszone. Die sinistrale DST bildete sich im Miozän vor etwa 17 Ma und steht mit dem Aufbrechen des Afro-Arabischen Kontinents in Verbindung. Das Untersuchungsgebiet liegt im Arava Tal zwischen Totem und Rotem Meer, mittig über der Arava Störung (Arava Fault, AF), die hier den Hauptast der DST bildet.<br /> <br /> Eine Reihe seismischer Experimente, aufgebaut aus künstlichen Quellen, linearen Profilen über die Störung und entsprechend entworfenen Empfänger-Arrays, zeigt die Untergrundstruktur in der Umgebung der AF und der Verwerfungszone selbst bis in eine Tiefe von 3-4 km. Ein tomographisch bestimmtes Modell der seismischen Geschwindigkeiten von P-Wellen zeigt einen starken Kontrast nahe der AF mit niedrigeren Geschwindigkeiten auf der westlichen Seite als im Osten. Scherwellen lokaler Erdbeben liefern ein mittleres P-zu-S Geschwindigkeitsverhältnis und es gibt Anzeichen für Änderungen über die Störung hinweg. Hoch aufgelöste tomographische Geschwindigkeitsmodelle bestätigen der Verlauf der AF und stimmen gut mit der Oberflächengeologie überein. <br /> <br /> Modelle des elektrischen Widerstands aus magnetotellurischen Messungen im selben Gebiet zeigen eine leitfähige Schicht westlich der AF, schlecht leitendes Material östlich davon und einen starken Kontrast nahe der AF, die den Fluss von Fluiden von einer Seite zur anderen zu verhindern scheint. Die Korrelation seismischer Geschwindigkeiten und elektrischer Widerstände erlaubt eine Charakterisierung verschiedener Lithologien im Untergrund aus deren physikalischen Eigenschaften. Die westliche Seite lässt sich durch eine geschichtete Struktur beschreiben, wogegen die östliche Seite eher einheitlich erscheint. Die senkrechte Grenze zwischen den westlichen Einheiten und der östlichen scheint gegenüber der Oberflächenausprägung der AF nach Osten verschoben zu sein.<br /> <br /> Eine Modellierung von seismischen Reflexionen an einer Störung deutet an, dass die Grenze zwischen niedrigen und hohen Geschwindigkeiten eher scharf ist, sich aber durch eine raue Oberfläche auf der Längenskala einiger hundert Meter auszeichnen kann, was die Streuung seismischer Wellen begünstigte. Das verwendete Abbildungsverfahren (Migrationsverfahren) für seismische Streukörper basiert auf Array Beamforming und der Kohärenzanalyse P-zu-P gestreuter seismischer Phasen. Eine sorgfältige Bestimmung der Auflösung sichert zuverlässige Abbildungsergebnisse.<br /> <br /> Die niedrigen Geschwindigkeiten im Westen entsprechen der jungen sedimentären Füllung im Arava Tal, und die hohen Geschwindigkeiten stehen mit den dortigen präkambrischen Magmatiten in Verbindung. Eine 7 km lange Zone seismischer Streuung (Reflektor) ist gegenüber der an der Oberfläche sichtbaren AF um 1 km nach Osten verschoben und lässt sich im Tiefenbereich von 1 km bis 4 km abbilden. Dieser Reflektor markiert die Grenze zwischen zwei lithologischen Blöcken, die vermutlich wegen des horizontalen Versatzes entlang der DST nebeneinander zu liegen kamen. Diese Interpretation als lithologische Grenze wird durch die gemeinsame Auswertung der seismischen und magnetotellurischen Modelle gestützt. Die Grenze ist möglicherweise ein Ast der AF, der versetzt gegenüber des heutigen, aktiven Asts verläuft. Der Gesamtversatz der DST könnte räumlich und zeitlich auf diese beiden Äste und möglicherweise auch auf andere Störungen in dem Gebiet verteilt sein. / The Dead Sea Transform (DST) is a prominent shear zone in the Middle East. It separates the Arabian plate from the Sinai microplate and stretches from the Red Sea rift in the south via the Dead Sea to the Taurus-Zagros collision zone in the north. Formed in the Miocene about 17 Ma ago and related to the breakup of the Afro-Arabian continent, the DST accommodates the left-lateral movement between the two plates. The study area is located in the Arava Valley between the Dead Sea and the Red Sea, centered across the Arava Fault (AF), which constitutes the major branch of the transform in this region.<br /> <br /> A set of seismic experiments comprising controlled sources, linear profiles across the fault, and specifically designed receiver arrays reveals the subsurface structure in the vicinity of the AF and of the fault zone itself down to about 3-4 km depth. A tomographically determined seismic P velocity model shows a pronounced velocity contrast near the fault with lower velocities on the western side than east of it. Additionally, S waves from local earthquakes provide an average P-to-S velocity ratio in the study area, and there are indications for a variations across the fault. High-resolution tomographic velocity sections and seismic reflection profiles confirm the surface trace of the AF, and observed features correlate well with fault-related geological observations.<br /> <br /> Coincident electrical resistivity sections from magnetotelluric measurements across the AF show a conductive layer west of the fault, resistive regions east of it, and a marked contrast near the trace of the AF, which seems to act as an impermeable barrier for fluid flow. The correlation of seismic velocities and electrical resistivities lead to a characterisation of subsurface lithologies from their physical properties. Whereas the western side of the fault is characterised by a layered structure, the eastern side is rather uniform. The vertical boundary between the western and the eastern units seems to be offset to the east of the AF surface trace.<br /> <br /> A modelling of fault-zone reflected waves indicates that the boundary between low and high velocities is possibly rather sharp but exhibits a rough surface on the length scale a few hundreds of metres. This gives rise to scattering of seismic waves at this boundary. The imaging (migration) method used is based on array beamforming and coherency analysis of P-to-P scattered seismic phases. Careful assessment of the resolution ensures reliable imaging results.<br /> <br /> The western low velocities correspond to the young sedimentary fill in the Arava Valley, and the high velocities in the east reflect mainly Precambrian igneous rocks. A 7 km long subvertical scattering zone reflector is offset about 1 km east of the AF surface trace and can be imaged from 1 km to about 4 km depth. The reflector marks the boundary between two lithological blocks juxtaposed most probably by displacement along the DST. This interpretation as a lithological boundary is supported by the combined seismic and magnetotelluric analysis. The boundary may be a strand of the AF, which is offset from the current, recently active surface trace. The total slip of the DST may be distributed spatially and in time over these two strands and possibly other faults in the area.

This thesis presents new insights into Alpine Fault structures at the drill site of the Deep Fault Drilling Project (DFDP)-2B at Whataroa in New Zealand. Despite the challenging conditions for seismic imaging within a glacial valley filled with sediments and steeply dipping valley flanks, several structures related to the valley itself as well as the tectonic fault system are imaged. The Alpine Fault at the West Coast in New Zealand is a major plate boundary forming a significant geohazard as large earthquakes (magnitude 7-8) occur regularly and the next earthquake is expected relatively soon. A major effort has been made to study the fault characteristics through scientific drilling in the Deep Fault Drilling Project (DFDP) Alpine Fault with the deepest DFDP-2B borehole located in the Whataroa Valley. A great variety of seismic data are newly acquired. First, the WhataDUSIE (Whataroa Detailed University Seismic Imaging Experiment) data set is a ~5 km long 2D profile acquired in 2011 prior to the drilling. As the 2D profile could not fully explain the 3D structures in the Whataroa Valley, an extended surface and borehole data set was acquired in 2016 after the drilling. This data set consists of shorter 2D lines (< 3 km), a dense 3D-array, and vertical seismic profiling (VSP) using the DFDP-2B borehole including the fibre-optic cable. 3D seismic data proved to be essential to understand the complex 3D structures of the glacial valley and the major fault. First-arrival travel time tomography and prestack depth migration (PSDM) are applied to obtain a P-wave velocity model and seismic images of the subsurface (<5 km). In this complex setting, the Fresnel volume migration (a focusing PSDM method) proved to best obtain structural information about the subsurface. Analysing the results of the seismic data processing, two major outcomes are achieved: improved knowledge about the glacial structures of the Whataroa Valley and structural images of the Alpine Fault zone. The Whataroa Valley is an overdeepened glacial valley with details of the basement topography visible in the seismic images. A deep trough is identified south of the DFDP-2B borehole with horizontal layering of the sediments. Valley flanks are identified in both the seismic images and the P-wave velocity model, particularly the western valley flank. Thus, Quaternary and glacial processes can be analysed with the help of the newly derived seismic images. The Alpine Fault is directly imaged with the seismic data, which is the first time in this region at shallow depths (<5 km). Several shorter fault segments between depths of 0.2 km and 2.2 km dipping 40-56° to the southeast are directly imaged. Further identified reflectors and faults are interpreted to represent Alpine Fault structures in the form of a damage zone and induced faults adding further complexity to the fault zone. In conclusion, the 3D seismic results presented in this thesis provide new insights into the Whataroa subsurface. Hence, the new results form a good basis for a deeper understanding of the Alpine Fault structures and underlying processes which is important for potential future drilling but also for the estimation of the geohazard in the region.