A Failed Rift: A Comprehensive Seismic Investigation of the - - PowerPoint PPT Presentation

A ¡Failed ¡Rift:

A ¡Comprehensive ¡Seismic ¡Investigation ¡of ¡the ¡Mid-­‑Continent ¡ Rift ¡from ¡USArry and ¡SPREE

Weisen Shen, ¡Douglas ¡Wiens, ¡Ghassan Aleqabi, ¡Michael ¡Wysession Suzan ¡van-­‑der ¡Lee, ¡Hao Zhang, ¡Seth ¡Stein Andrew ¡Frederiksen, ¡Fiona ¡Darbyshire Emily ¡Wolin and ¡Trevor ¡Bollmann

• GSA2016. ¡PRECAMBRIAN ¡EVOLUTION ¡AND ¡MINERAL ¡RESOURCES ¡OF ¡THE ¡MIDCONTINENT ¡RIFT ¡REGION: ¡

IN ¡HONOR ¡OF ¡WILLIAM ¡J. ¡HINZE

Wilson ¡Cycle

Wilson ¡Cycle

At ¡the ¡stage ¡of ¡sea ¡floor ¡ spreading ¡…

Active Inactive

Lau ¡back-­‑arc ¡basin Sea ¡of ¡Japan

A ¡Dynamic ¡System ¡can ¡die ¡at ¡ stage ¡of ¡continental ¡rifting

Active Inactive

East ¡Africa ¡Rift

A ¡FAILED ¡RIFT: Midcontinent ¡ Rift ¡(MCR)

A ¡Failed ¡Rift

• 1. Background
• 2. What ¡We ¡Know ¡About ¡MCR ¡from ¡Earthscope:
• Signatures ¡mapped ¡by ¡USArray
• Most ¡Recent ¡Effort: ¡Results ¡from ¡SPREE
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IN ¡HONOR ¡OF ¡WILLIAM ¡J. ¡HINZE

What ¡we ¡know ¡about ¡MCR

Stein ¡et ¡al., ¡2011 Igneous ¡rocks ¡~ ¡3000 ¡km ¡long ¡~ ¡2 ¡x ¡10^6 ¡km^3 ¡magma Volume ¡of ¡igneous ¡rock ¡is ¡comparable ¡to ¡major ¡flood ¡basalt ¡province

What ¡we ¡know ¡about ¡MCR: ¡It ¡is ¡old ¡(~1.1 ¡Ga)

Whitmeyer and ¡Karlstrom, ¡2007

Early ¡seismic ¡investigation:

Normal ¡fault Cannon ¡et ¡al., ¡1989 Thrust ¡Fault Crustal ¡thickening

Early ¡seismic ¡investigation:

Normal ¡fault Cannon ¡et ¡al., ¡1989 Thrust ¡Fault Crustal ¡thickening 1.3-­‑1.0 ¡Ga ¡Collisional ¡Orogeny

MCR ¡seen ¡by ¡USArray

USArray, ¡a ¡major ¡component ¡of ¡ Earthscope project. A ¡400-­‑station ¡array ¡rolling ¡from ¡ California ¡to ¡Alaska ¡that ¡occupies ¡ ~ ¡2,000 ¡sites ¡across ¡the ¡US. ¡ The ¡dense ¡network ¡enables ¡ seismologists ¡to ¡track ¡and ¡measure ¡ seismic ¡waves ¡that ¡travel ¡across ¡US.

MCR ¡seen ¡by ¡USArray

Group ¡velocity ¡map ¡of ¡US, ¡28 ¡sec Gravity ¡map

MCR ¡seen ¡by ¡USArray

MCR ¡seen ¡by ¡USArray: ¡Monte ¡Carlo ¡Inversion

MCR ¡seen ¡by ¡USArray: ¡Crustal ¡thickening ¡is ¡seen!

MCR ¡seen ¡by ¡USArray: ¡Crustal ¡thickening ¡is ¡seen!

Thick ¡crust ¡is ¡found ¡beneath ¡the ¡MCR ¡!

MCR ¡seen ¡by ¡USArray: ¡Crustal ¡thickening ¡is ¡seen!

Thrust ¡Fault Crustal ¡thickening

A ¡Failed ¡Rift

• 1. Background
• 2. What ¡We ¡Know ¡About ¡MCR ¡from ¡Earthscope:
• Signatures ¡mapped ¡by ¡USArray
• Most ¡Recent ¡Effort: ¡Results ¡from ¡SPREE
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MCR ¡seen ¡by ¡USArray: ¡Crustal ¡thickening ¡is ¡seen!

Sampling ¡to ¡the ¡rift ¡is ¡sparse ¡!

SPREE: ¡Superior ¡Province ¡Rifting ¡Earthscope Experiment

Principle ¡Investigators ¡and ¡Institutions: Suzan ¡Van ¡Der ¡Lee, ¡Northwestern ¡University Justin ¡Revenaugh, ¡University ¡of ¡Minnesota ¡-­‑ Twin ¡Cities Douglas ¡Wiens, ¡Washington ¡University ¡in ¡St. ¡Louis Michael ¡Wysession, ¡Washington ¡University ¡in ¡St. ¡Louis Andrew ¡Frederiksen, ¡ Fiona ¡Darbyshire Funding ¡Source: Earthscope-­‑Science ¡Utilization Field ¡Dates: 4/2011 ¡– 8/2013 Equipment ¡Used: 83 ¡broadband ¡ stations

Advantages ¡of ¡SPREE: ¡Denser ¡sampling ¡to ¡the ¡MCR

Station ¡Distance ¡ ~ ¡40-­‑50 ¡miles ¡(USArray TA) ~ ¡10 ¡miles ¡(SPREE)

Advantages ¡of ¡SPREE: ¡Denser ¡sampling ¡to ¡the ¡MCR

Station ¡Distance ¡ ~ ¡40-­‑50 ¡miles ¡(USArray TA) ~ ¡10 ¡miles ¡(SPREE)

Dense ¡sampling ¡to ¡the ¡rift

Advantages ¡of ¡SPREE: ¡Expanded ¡Coverage

Four ¡observational ¡efforts ¡made ¡from ¡the ¡ data ¡analysis

• Surface ¡wave ¡tomography ¡(ambient ¡

noise ¡and ¡earthquake ¡tomography). ¡ ¡

• Receiver ¡function ¡analysis
• Rayleigh ¡H/V ¡ratio
• Joint ¡interpretation ¡of ¡all ¡measurements
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Effort ¡1: ¡Surface ¡wave ¡tomography (Ghassan Aleqabi)

• Ambient ¡noise ¡tomography

By ¡cross-­‑correlating ¡ambient ¡ seismic ¡noise, ¡empirical ¡Green’s ¡ functions ¡(EGF) ¡are ¡obtained. Short ¡period ¡(5-­‑50 ¡sec) ¡surface ¡ waves ¡extracted ¡from ¡EGF ¡ provide ¡information ¡about ¡the ¡ crust.

Effort ¡2: ¡Receiver ¡Functions ¡

(more ¡details ¡can ¡be ¡found ¡in ¡Se Session ¡ ¡No.7 ¡ ¡10:25 ¡AM DISTINCT ¡CRUSTAL ¡STRUCTURE ¡OF ¡THE ¡NORTH ¡AMERICAN ¡MID-­‑CONTINENT ¡RIFT ¡FROM PWAVE ¡RECEIVER ¡FUNCTIONS )

Effort ¡3: ¡Rayleigh ¡wave ¡H/V ¡

Sensitivity of H/V

Lin et al., 2012, GRL

Sediments thickness (km)

Surface ¡particle ¡motion ¡of ¡Rayleigh ¡ wave is ¡an ¡ellipse. ¡ It ¡is ¡quantitatively ¡descried ¡by ¡ horizontal/vertical ¡raito (H/V)

Effort ¡3: ¡Rayleigh ¡wave ¡H/V ¡

18 ¡sec ¡H/V

Northern ¡Transect Period ¡(sec) Southern ¡ Transect Period ¡(sec)

Effort ¡4. ¡Joint ¡interpretation ¡of ¡surface ¡wave ¡ dispersion, ¡receiver ¡functions, ¡and ¡H/V ¡ratio

H/V Surface ¡wave dispersion Receiver ¡functions Station ¡SS68

Phase ¡Velocity Group ¡Velocity H/V Receiver ¡Functions Period ¡(sec) Period ¡(sec) Period ¡(sec)

Effort ¡4. ¡Joint ¡interpretation ¡of ¡surface ¡wave ¡ dispersion, ¡receiver ¡functions, ¡and ¡H/V ¡ratio

Northern ¡Transect Gravity ¡(mgal) Depth ¡to ¡Surface ¡(km) Crust Mantle Phase ¡Velocity Group ¡Velocity Period ¡(sec) Period ¡(sec)

Effort ¡4. ¡Joint ¡interpretation ¡of ¡surface ¡wave ¡ dispersion, ¡receiver ¡functions, ¡and ¡H/V ¡ratio

Phase ¡Velocity Group ¡Velocity H/V Receiver ¡Functions Period ¡(sec) Period ¡(sec) Period ¡(sec)

Effort ¡4. ¡Joint ¡interpretation ¡of ¡surface ¡wave ¡ dispersion, ¡receiver ¡functions, ¡and ¡H/V ¡ratio

Southern ¡ Transect Gravity ¡(mgal) Depth ¡to ¡Surface ¡(km) Crust Mantle Phase ¡Velocity Group ¡Velocity Period ¡(sec) Period ¡(sec)

Effort ¡4. ¡Joint ¡interpretation ¡of ¡surface ¡wave ¡ dispersion, ¡receiver ¡functions, ¡and ¡H/V ¡ratio

An ¡extra ¡layer ¡with ¡4.2-­‑4.4 ¡km/sec ¡is ¡found ¡ beneath ¡the ¡MCR

Northern ¡Transect Gravity ¡(mgal) Depth ¡to ¡Surface ¡(km) Crust Mantle An ¡extra ¡layer ¡with ¡Vsv of ¡~ ¡4.2-­‑4.4 ¡km/sec Stein ¡et ¡al., ¡2015

A ¡Failed ¡Rift

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IN ¡HONOR ¡OF ¡WILLIAM ¡J. ¡HINZE Surface ¡wave ¡dispersion Receiver ¡function ¡waveforms Rayleigh ¡wave ¡amplitude ¡ratios A ¡detailed, ¡high ¡resolution ¡model ¡for ¡MCR Monte ¡Carlo ¡Joint ¡Inversion

Thanks ¡!

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IN ¡HONOR ¡OF ¡WILLIAM ¡J. ¡HINZE

Extra ¡thanks ¡to ¡Dr. ¡Hinze for ¡his ¡pioneer ¡work ¡on ¡MCR, ¡ which ¡assists ¡us ¡along ¡the ¡whole ¡journey ¡! ¡

What ¡we ¡know ¡about ¡MCR: ¡It ¡is ¡big

Igneous ¡rocks ¡~ ¡3000 ¡km ¡long ¡~ ¡2 ¡x ¡10^6 ¡km^3 ¡magma Volume ¡of ¡igneous ¡rock ¡is ¡comparable ¡to ¡major ¡flood ¡basalt ¡province Stein ¡et ¡al., ¡2011 Stein ¡et ¡al., ¡2015