Lithospheric structure in Central Europe : integrated geophysical modelling

par Michal Grinc

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Hermann Zeyen et de Miroslav Bielik.

Le président du jury était Peter Vajda.

Le jury était composé de Peter Vajda, Manel Fernandez, Yanni Gunnell, Franck Horvath, Piotr Tucholka, Michal Kovac, Roman Pasteka.

Les rapporteurs étaient Manel Fernandez, Yanni Gunnell, Franck Horvath.

  • Titre traduit

    Détermination d’un modèle lithosphérique en Europe centrale : modélisation géophysique intégrée


  • Résumé

    L'objectif principal de cette thèse est d'acquérir de nouvelles connaissances sur la structure tectonique et la lithosphérique de la région des Carpates et du bassin pannonien. Nous avons appliqué trois méthodes différentes: modélisation 1D,modélisation 2D géophysique intégrée et inversion 3D pour atteindre cet objectif. Ces méthodes sont similaires concernant les bases de données utilisées, mais diffèrent par le traitement et l'interprétation de données. Au début, nous avons appliqué la modélisation automatique 1D pour obtenir un premier aperçu de la région étudiée. Deuxièmement, nous avons appliqué la modélisation 2D intégré de la lithosphère qui combine l'interprétation du flux de chaleur,du géoïde, de la gravité et des données topographiques de la région des Carpates et du bassin pannonien et des régions avoisinantes. Cette approche est capable de contraindre des structures lithosphériques compliquées de la région étudiée mieux que l'interprétation de chaque donnée indépendamment. Nous présentons quatre modèles intégrés 2Dde la lithosphère dans la région des Carpates et du bassin pannonien et des régions avoisinantes. Enfin, sur la base de l'algorithme d'inversion 3D, nous présentons les modèles géophysiques de la lithosphère dans la région des Carpates et du bassin pannonien. L'algorithme calcule la structure de la densité lithosphèrique par l'inversion conjointe de la gravité, géoïde et données topographiques basé sur une approche bayésienne. Les modèles sont basés sur différents ensembles de données d'entrée et ils sont contraints par différentes données a priori. Sur la base de notre modélisation, nous ne pouvons pas confirmer l'amincissement extrême (moins de 70 km)de la lithosphère du bassin pannonien proposé par d'autres auteurs. D'autre part, les résultats montrent la tendance à l'augmentation de l'épaisseur lithosphérique de Carpates d'occidentales vers de Carpates de l'est ce que confirme les théories antérieures sur la propagation du processus de subduction. Nous avons obtenu des résultats controversés dans la région des Carpates du sud.Les résultats basés sur l'inversion 3D montrent une lithosphère extrêmement mince dans ce domaine mais les résultats basés sur la modélisation 2D intégrée ne supportent pas cet amincissement. Cependant, les deux méthodes indiquent qu'il est plausible que la plateforme Moésienne soit courbée et chevauchée sous les Carpates du sud. Dans le modèle 3D, le bord sud-est du bassin Pannonien montre une lithosphère inattendue et étonnamment mince. Puisque la zone est assez grande, nous pouvons exclure un effet de flexion, par conséquent, cette région pourrait être potentiellement intéressante pour une recherche plus approfondie.


  • Résumé

    The main aim of this thesis is to gain new knowledge about the lithospherical structure and tectonics of the Carpathian–Pannonian Basin region. We applied three different methods: 1Dautomatic modelling, 2D integrated geophysical modelling and 3D inversion to achieve this goal.These methods are similar concerning the used databases but differ by used processing andinterpretation. At first we apply 1D automatic modelling to get a very first overview of thestudied region. Secondly, we apply 2D integrated modelling of the lithosphere which combines the interpretation of surface heat flow, geoid, gravity, and topography data in the Carpathian–Pannonian Basin region and surrounding areas. This approach is able to constrain the complicated lithospheric structures of the studied region better than interpreting each data set onits own. We present four 2D integrated models of the lithosphere in the Carpathian–PannonianBasin region and surrounding areas. Finally, based on the 3D Inversion algorithm, we present the geophysical models of the lithosphere in the Carpathian–Pannonian region. The algorithm returns the density structure of the lithosphere from joint inversion of free air gravity, geoid andtopography data based on a Bayesian approach. The models are based on different input data sets and constrained by different a priori data. Based on our modelling we cannot confirm theextreme thinning (less than 70 km) of the Pannonian Basin lithosphere proposed by other authors.On the other hand, the results show the increasing trend of the lithospherical thickness of theCarpathian Arc from the Western Carpathians toward the Eastern Carpathians which confirms theprevious theories about the propagation of subduction process. We got some controversial resultsin the area of the Southern Carpathians. The results based on 3D inversion show extremely thinlithosphere in the area; on the other hand, the results based on 2D integrated modelling do notsupport such thinning. However both methods indicate that it is probable that the MoesianPlatform is bend and underthrusted underneath the Southern Carpathians. The south-eastern edge of the Pannonian Basin based on 3D inversion shows unexpected and surprisingly thinlithosphere. Since the area is quite large, we could exclude an effect of flexure, therefore this area might be potentially interesting for further investigation.

  • Titre traduit

    Stavba litosféry v Strednej Európe : integrované geofyzikálne modelovanie


  • Résumé

    Hlavnou myšlienkou tejto práce bolo rozšírenie poznatkov o štruktúre a tektonike karpatsko–panónskej oblasti. Na výskum študovanej oblasti sme použili tri rôzne metódy, 1D automatickémodelovanie, 2D integrované geofyzikálne modelovanie a 3D inverziu. Tieto metódy sú podobnév zmysle použitých vstupných databáz, ale líšia sa spôsobom spracovania a interpretácie. Akoprvé sme aplikovali 1D automatické modelovanie, ktoré slúžilo ako prvý náhľad na študovanéúzemie. Ako druhé sme použili 2D integrované geofyzikálne modelovanie litosféry, ktorékombinuje interpretáciu povrchového toku, geoidu, tiažových anomálií a topografie v karpatsko–panónskej oblasti a okolitých tektonických jednotkách. Tento prístup k interpretácii je schopnývymedziť komplikované štrúktúry v litosfére lepšie, ako interpretácia každého jednéhogeofyzikálneho poľa samostatne. V tejto práci predstavíme štyri 2D integrované modely litosféryv karpatsko–panónskej oblasti a okolitých jednotiek. Ako posledné, predstavíme geofyzikálnemodely litosféry študovanej oblasti na základe modelovania použitím 3D inverzie. Algoritmus jeschopný vypočítať hustotnú distribúciu v litosfére na základe Bayesianského prístupu zospoločnej inverzie tiažovej anomálie na voľný vzduch, geoidu a topografie. Tieto modely súvypočítavané na základe rôznych vstupných datových setov a a priori informácií. Na základenášho modelovania nemôžeme potvrdiť extrémne stenčenie (menej ako 70 km) litosférypanónskej panvy. Na druhej strane naše výsledky poukazujú na narastajúci trend litosférickéhohrubnutia Karpatského oblúka od Západných Karpát smerom do Východných, čo potvrdzujepredchádzajúce teórie o postupnom procese subdukcie. V oblasti Južných Karpát sme dosiahliprotichodné výsledky. Výsledky získané na základe 3D inverzie poukazujú na extrémne stenčenúlitosféru na druhej strane 2D integrované modelovania takéto extrémne stenčenie v danej oblastinepodporuje. Napriek tomu je pravdepodobnejšie, že moezíjska platforma je ohnutá a podsunutápod Južné Karpaty. Ďalšia zaujímavá vec sa ukazuje v juhovýchodnej oblasti panónskej panvy,kde výsledky 3D inverzie odhaľujú taktiež výrazné stenčenie litosféry. Táto oblasť môže byťpotenciálne zaujímavá a bolo by vhodné ďalej pokračovať vo výskume danej oblasti.


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