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E L S E V I E R Tectonophysics 264 (1996) 175-189

TECTONOPHYSICS

Crustal image of the Ionian basin and its Calabrian marginsL . C e r n o b o r i a , b , * , A. H im c , J .H . M cBr ide d, R . N ico l i ch a , L . Pe t ron io a , M . R o m a n e l li a ,

S T R E A M E R S / P R O F I L E S W o r k in g G ro u p sa DI NM A-U niv . o f Trieste , Via Valerio 10, Trieste , I ta ly

b CN R- lst . Talassograf ico, Via le R. Ges si 2 , Trieste , I ta lyc L P G. de Par is , p l . Ju ss i eu 4 , Par i s, France

a B I R P S , B u l l a r d L a b o r a to r i e s, M a d i n g l e y R o a d , U n i v e rs i ty o f C a m b r i d g e, C a m b r i d g e , C B 3 0 E Z , U KReceived 1 March 1995; accepted 30 November 1995

A b s t r a c t

P r ev ious s e i s m ic inv es t iga t ion o f the c r us ta l s t r uc tu r e in the Ion ian bas in has been l im i ted to s ha l low pene t r a t ions e i s m ics o f the 1 9 7 0 ' s , cha r ac te r i z ed by inadeq ua te s our ce power and low fo ld . Ea r l i e r OBS and ES P s e i s m ic r e f rac t ionex per im en ts hav e no t been ab le to f i r m ly re s o lv e one o f the p r inc ipa l s c ien ti f i c p r ob lem s fo r th i s r eg ion w hich i s whe the rthe Ion ian bas in i s f loor ed by ocean ic c r us t o r by h igh ly a t t enua ted con t inen ta l c r us t . A s econd e lus iv e p r ob lem i s thena tur e o f the t r ans i t ion o f the boundar ie s be tween the Ion ian bas in and i t s m ar g ins.

In th i s pape r we des c r ibe and in te r pr e t new deep s e i s m ic re f lec tion and wide -ang le da ta co l lec ted in the wes te r n Ion ianSea and the Ca labr ia r eg ion o f I t a ly . One o f the p r inc ipa l f ea tu r es o f our m ul t i channe l r e f lec t ion da ta benea th the Ion ianbas in i s a band o f ' l ay e r ed ' h igh-am pl i tude r e f lec tions nea r the bas e o f the c r us t. Th is band s how s a q uas i -m onoch r om at ic(ca . 8 to 1 0 Hz ) f r eq uency and a t r av e l t im e th icknes s o f 1 to 1 .5 s . Thes e im ages con t r a s t wi th the w e l l known r e f lec tionpa t te r ns o f Mes oz o ic ocean ic c r us t inv es t iga ted in the At lan t ic Ocean . Ther e i s ev idence tha t the low- f r eq uency banddips down towar ds the edge o f the Mal ta Es ca r pm ent (ME) , wher e l andwar d-d ipp ing r e f lec to r s s epa r a te con t inen ta l andin te r m edia te ty pe c r us t in the cen t r a l t r ac t o f the ME . The inc r eas ed tr av e l t im es o f the low er -c r us ta l r e f l ec to r s and Mo ho,f r om the bas in towar ds the s ou the r n and eas te r n m ar g ins o f s ou ther n Ca labr ia , cou ld be pa r t i a l ly due to the v e loc i typu l l -down e f fec t o f the s ed im enta r y p i l e o f the a r c , a l though a t r ue d ip o f 1 5 to 1 8 %, ov e r 6 0 km d i s tance , can bes ubs tan t ia ted . M or eov er , the r e f lec t ing band m a in ta ins i t s r e fl ec t iv ity and th icknes s un t i l i t s abr up t t e r m ina t ion benea th theIon ian con t inua t ion o f the Ca labr ian com pr es s iona l c r us ta l s t r uc tu r es . The co inc iden t acq u is i t ion o f wide -ang le s e i s m icda ta and m ar ine r e f lec t ion s e i s m ic da ta p r ov ided a l andwar d ex tens ion o f the s ur v ey which wi l l com plem ent ex i s t inggeo log ic in for m at ion on the deep f r am ewor k o f the Ion ian bas in and i t s Ca labr ian m ar g in .Keywords: Ion ian B as in ; m ul t i - channe l s e i s m ic r e f lec t ion ; Ca labr ian m ar g in ; lower c r us t s e i s m ic s tuc tu r e ; c r us ta l th inn ing1 . I n t r o d u c t i o n

T h e w e s t e r n I o n i a n S e a ( F i g . 1 ) , w h i c h h a s b e e ns u r v e y e d b y t h e S T R E A M E R S s e i sm i c a c q u i si t io n* Corresponding author. Tel. + 3 9 4 0 6 7 6 - 34 7 8 ; F a x : + 3 9 40676-3497.

p r o j e c t i n e a r l y 1 9 9 2 , i s u n d e r l a i n b y a d e e p b a s i nw h e r e t h e s e d i m e n t a r y c o v e r c a n b e m o r e t h a n 8k m t h i ck , a s k n o w n f r o m b o t h r e f l e c t i o n a n d r e -f r a c t i o n d a t a ( F i n e t t i , 1 9 8 2 ; M a k r i s e t a l . , 1 9 8 6 ;F e r r u c c i e t a l. , 1 9 9 1 ; d e V o o g d e t a l . , 1 9 9 2 ; T r u f f e r te t a l . , 1 9 9 3 ) , a n d i n c l u d e s M e s o z o i c t o Q u a t e r n a r ys e q u e n c e s ( D e r c o u r t e t a l. , 1 9 86 ) . T h e b a s i n i s l o -

0040-1951/96/$15.00 Copyright 1996 Elsevier Science B.V. All rights reserved.P I1 S 0 0 4 0 - 1 9 5 1 ( 9 6 ) 0 0 1 2 5 - 4


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176 L . C e r n o b o r i e t a l . / T e c t o n o p h y s i c s 2 6 4 (1 9 9 6 ) 1 7 5 - 1 8 9

3 S o 9 _ ~ h e % 9+ 1 5 ::{~z--~-:~:~{:_r~.~~{:~_~~::-{:~_~:~z~_;~:~~ - ~ { ~ : [ ~ i ~ ii i ; ~ '~ '~~

i , o = o . i / 4 / ' /es t 1 , /~ /~ L v S P

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F i g . 1 . L o c a t i o n m a p o f t h e S T R E A M E R S p r o f i l es ( I O N - l , - 2 , - 3 , -4 , -5 , - 6 ) i n t h e w e s t e r n I o n i a n ( th i c k c o n t i n u o u s l i n e s ) . A d d i t i o n a lh a t c h e d b o x e s m a r k t h e p o r t io n o f t h e p r o f il e s s h o w n i n F i g s . 3 t o 7 . T h e l a n d - s t a t io n s l o c a t i o n ( T S - 1 ) a n d t h e S e r r e p r o fi l e a r e in d i c a t e do n s h o r e C a l a b r i a . D a s h e d l i n e s in d i c a t e D S S / 7 9 ( F e r r u c c i e t a l ., 1 9 9 1 ) , D S S / 8 1 ( M a k r i s e t a l . , 1 9 8 6 ) a n d E S P l o c a t i o n s ( d e V o o g d e t a l .,1 9 9 2 ) . A = C a l a b r i a n - P e l o r i t a n n a p p e s ; B = M a g h r e b i a n a r c; C = H y b l e a n p l a te a u ; 1 = m a i n v e r t i c a l e x t e n s i o n a l f a u lt s ; 2 = t h r u stf a u l t s o n l a n d .

c a t ed w i t h i n a c o m p l e x g e o l o g i c a l a r ea an d p l a y e da c r u c i a l r o l e i n t h e T e r t i a r y a n d Q u a t e r n a r y t e c -t o n i c i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e A f r i c a n a n d E u r o p e a nc o n t i n e n ta l m a r g in s . E x t e n s i o n a l a n d c o m p r e s s i v ep r o c e s s e s h a v e d e v e l o p e d o v e r a s h o r t t i m e s p a n i nt h e c e n t r a l M e d i t e r r a n e a n s i n c e t h e T o r t o n i a n : a r -

e a s o f s t r e t c h e d c r u s t , c r u s t a l u n d e r p l a t i n g , a n d at h r u s t b e l t i n w h i c h a r c - s h a p e d s t r u c t u r e s h a v e d e -v e l o p e d c o m p r i s e t h e i n t e r e s t i n g t e c t o n i c f e a t u r e s o ft h i s r e g i o n . N e v e r t h e l e s s , g e o p h y s i c a l a n d s t r u c t u r a ld a t a d i s t i n g u i s h d i s t i n c t c r u s t a l d o m a i n s a n d d e -l i m i t t h e k i n e m a t i c e v o l u t i o n o f t h e i r m a r g i n s w h i c h


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L. Cernobori et aL / Tectonophysics 264 (1996) 175-189 177

w a s s t r i c t ly c o n t r o l l e d b y N - S c o l l i s io n b e t w e e n t h eA f r i c a n a n d E u r o p e a n p l a t e s :

- t h e P e l a g i a n b l o c k t h a t e x h i b i t s a n o r m a l t o t h inc o n t i n e n t a l c r u s t a f f e c t e d b y r i f t i n g p r o c e s s e s ;

- t h e t h i n n e d a n d s t r e t c h e d a r e a o f t h e s o u t h e r nT y r r h e n i a n a n d I o n i a n d o m a i n s , c h a r a c t e r i s e d b y at r a n s i ti o n a l o r o c e a n i c c r u s t ;

- t h e o r o g e n i c b e l t r e p r e s e n t e d b y t h e A p e n n i n ea n d M a g h r e b i a n t h r u s t s y s t e m a n d b y t h e C a l a b r i a narc (de ta i l ed s t ruc tu ra t ions in C.N.R. , 1983) .

T h e t i m i n g o f t h e d e f o r m a t i o n s u g g e s t s t h a t t h eT o r t o n i a n t o Q u a t e m a r y t e c t o n i c s o f t h e c e n t r a lM e d i t e r r a n e a n i s d o m i n a t e d b y t h e e x t r u s i o n o f t h eCalabr i an a rc towards the eas t , l a t e ra l ly res t ra ined byt h e N - S i m p i n g e m e n t o f t he c o n t in e n t a l in d e n t e r o ft h e P e l a g i c d o m a i n ( Re u t h e r e t a l ., 1 9 9 3 ) . T h e m e c h -a n i s m o f th e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e C a l a b r i a n b l o c ka n d t h e I o n i a n d o m a i n a n d t h e n a t u r e o f t h e I o n i a ncrus t and i t s ac t ive o r pass ive ro le in the co l l i s iona lp r o c e s s , a r e c r u c i a l p o i n t s f o r t h e u n d e r s t a n d i n g o ft h e r e c e n t e v o l u t i o n o f th i s c o m p l e x a r e a . A c c o r d -i n g to a m o d e l o f M e s o z o i c - C e n o z o i c p l a te - t e ct o n ice v o l u t i o n o f t h e E a s t e r n M e d i t e r r a n e a n a r e a ( D e r -cour t e t a l . , 1986) , t he ex tens ion wi th in the Ion ianb a s i n b e g a n i n th e L a t e J u ra s s i c ( 1 5 0 - 1 3 0 M a ) . I nt h e A p t i a n ( a b o u t 1 1 0 M a ) a r o t a t io n o f A p u l i a w i t hr e s p e c t t o A f r i c a i n i t i a t e d t h e r a p i d s u b s i d e n c e o f t h eI o n i a n b a s i n . T h e b a s i n w a s e x p a n d i n g i n t h e L a t eC r e t a c e o u s a n d c e a s e d i t s s p r e a d i n g i n C r e t a c e o u s -P a l e o c e n e t i m e , w h i c h g e n e r a l l y c o r r e s p o n d s t o t h ec o l l i s i o n n o r th o f A p u l i a . G e a l y ( 1 9 8 8 ) a s s i g n s t h es p r e a d i n g e v e n t , w h i c h l e d to t h e d e v e l o p m e n t o f th eE a s t e r n M e d i t e r r a n e a n , t o t h e M i d d l e C r e t a c e o u s .

G e o p h y s i c a l d a t a ( s e i s m i c , g r a v i m e t r i c a n d h e a tf l o w ) a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e s u g g e s t e d m o d e l s o fth inn ing and bas in fo rmat ion . In par t i cu lar , i n thew e s t e r n I o n i a n Se a , t h e d e p t h o f t h e M o h o r i s e st o 1 9 - 2 0 k m a n d f in a l ly r e a c h e s a b o u t 1 6 - 1 8 k mu n d e r t h e I o n i a n A b y s s a l P l a i n. M a k r i s e t a l. ( 1 9 8 6 ) ,Fer rucc i e t a l . (1991) , de Voogd e t a l . (1992) andT r n f f e r t e t al . ( 1 9 9 3 ) h a v e i d e n t i f i e d t h e M o h o d e p t hf r o m h i g h , a t l e a s t 8 . 1 - 8 . 2 k m / s , r e f r a c t i o n v e l o c it i e so n O B S a n d E S P p r o f i l e s . T h i s P - w a v e v e l o c i t yc o r r e s p o n d s t o a d e n s i t y o f 3 3 5 0 t o 3 4 5 0 k g / m 3(Tru f fer t e t a l ., 1993) w hich , in tu rn , co r re la t es toe i t h e r a d e p l e t e d m a n t l e o r w i t h t h e p r e s e n c e o fe c l o g i t e ( t r a n s f o r m a t i o n o f m a g m a t i c b a s a l t l e n s e si n t o d e n s e e c l o g i t e r o c k s a f t e r t h e c o o l i n g o f t h e

b a s in ) . F u r t h e r m o r e , th e p o s i t iv e B o u g u e r a n o m a l i e s ,r a n g i n g u p t o a b o u t 3 1 0 m G a l a t t h e c e n t r e o f t h eIon ian abyssa l p la in (More l l i e t a l . , 1975) in sp i t e o ft h e r a t h e r d e e p M o h o , p r o v i d e c o n v i n c i n g e v i d e n c eo f a d e n s e l e n s i n t h e u p p e r m o s t m a n t l e . M o r e o v e r ,i n t h e w e s t e r n I o n i a n b a s i n t h e h e a t - f l o w v a l u e s d on o t e x c e e d 4 0 m W / m 2 ( D e l la V e d o v a a n d P e l li s ,1 9 9 2 ). T h i s p r o v i d e s e v i d e n c e o f g e n e r a l c o o l i n gr e l a t e d t o th e t e c t o n i c s u b s i d e n c e o f t h e I o n i a n b a s i n .

T h e S T R E A M E R S s u rv e y pr o v id e s ne w a d di -t i o n a l c o n s tr a i n t s o n t h e t e c t o n i c d e v e l o p m e n t o f t h isr e g i o n b y i m a g i n g t h e r e f l e c t i v i ty st r u c t u r e a t h i g h e rr e s o l u t i o n t h a n p r e v i o u s l y a v a i l a b l e . T h e m o s t u n -e x p e c t e d a n d i m p r e s s iv e i m a g e o b t a i n e d w i t h t h es e i s m i c d a t a d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r i s t h a t o f a l a y -ered ban d a t the base o f the c rus t , 1 to 1 .5 s th i ck ,w i t h m o n o c h r o m a t i c ( 8 - 1 0 H z ) r e f l e c to r s an d s t r o n ga m p l i t u d e s . A c c o r d i n g t o t h e a b o v e m e n t i o n e d D SSa n d E SP r e s u l t s , t h i s b a n d c o r r e s p o n d s t o a w i d e ,t h i c k ( 3 .5 t o 4 . 0 k m ) , l a m i n a t e d l o w e r c r u s t o r c r u s t -m a n t l e t r a n s i ti o n , t o w h i c h a n i n t e r v a l v e l o c i t y o f6 .9 to 7 .1 km/s was as s igned . I t appears to be a d i s -t inc t ive s ignatu re fo r the Ion ian bas in and , a l thought h is a r e a h a s b e e n t h o u g h t t o b e f l o o r e d b y o c e a n i cc r u s t , d i f f e r s f r o m t r u e o c e a n i c r e f l e c t i o n i m a g e s a so b s e r v e d in t h e e a s t e m A t la n ti c O c e a n ( M c B r i d e e ta l . , 1994) . Fur thermore , th i s d i s t inc t ive band can bet r a c e d f r o m t h e b a s i n c e n t r e t o i t s m a r g i n s a n d t h e nu s e d a s a m a r k e r o f t h e M o h o t o p o g r a p h y a n d o f d e -f o r m a t i o n s i n t h e I o n i a n r e g i o n s i n c e i t s f o r m a t i o n .T h i s l a y e r e d l o w e r c r u s t h a s a l s o b e e n c l e a r l y s e e nin a p ro f i l e sho t in 1993 wi th a s ing le-bubb le a i rguna r r a y o n b o a r d M / V N a d i r ( I f r e m e r ) i n t h e f r a m e o fa s tudy o f Mt . E tna , S ic i ly (Cernob or i e t a l ., 1994;Av ed ik e t al ., 1995) .2 . T h e g e o l o g i c a l f r a m e w o r k

2.1. The abyssa l p la in in fron t o f the centra l sec toro f th e M a l ta Esca rp m en t (M E)G e o p h y s i c a l d a t a i n d i c a t e t h a t t h e M E s e p a r a t e s

t w o d i s t i n c t d o m a i n s c o r r e s p o n d i n g t o t h e P e l a g i a na n d I o n i a n Se a s . C a s e r o a n d Ro u r e ( 1 9 9 4 ) i n t e r p r e tt h e e v o l u t i o n o f t h e M E a s a n e s s e n t i a l l y T o r t o -n i a n f e a t u r e , su b d i v i d e d , a l o n g a N - S d i r e c t i o n , in t ot r a c ts ( F i g . 1 ) , e a c h o f w h i c h h a d a d i s t i n c t g e o d y -n a m i c e v o l u t i o n d u e t o i m p o r t a n t S W - N E - t r e n d i n g


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178 L . C e r n o b o r i et a l . / T e c t o n o p h y s i c s 2 6 4 ( 1 9 9 6 ) 1 7 5 - 1 8 9d i s l o c a t i o n s . E a c h t r a c t s h o w s s t r u c t u r a l l y d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s : t h e m i d d l e a n d s o u t h e r n m o s t o n e sh a v e d e v e l o p e d p a r a l l e l t o z o n e s c h a r a c t e r i s e d b ye q u a l f a c i e s d e p o s i t i o n s d u r i n g t h e M e s o z o i c , b u t t h en o r t h e r n t r a c t c r o s s c u t s t h e m ( C a s e r o e t a l. , 1 9 8 8 ) .T h e c e n t r a l s e c t o r c o r r e s p o n d s t o a c o n t i n e n t a l m a r -g i n f a c i n g a n a n c i e n t s e a . H o w e v e r , i n a n a l o g y t oo t h e r M e s o z o i c m a r g i n s , t h e c e n t r a l M E c o u l d h a v eb e e n a f f e c t e d b y l i st r i c f a u l ti n g a n d s u b d i v i d e d i n t ot i l t e d b l o c k s o f v a r i o u s s i z e s . T h e t r a n s i t i o n f r o m at h i n n e d c o n t i n e n t a l t o a t r u e o c e a n i c c r u s t t o w a r d st h e c e n t r e o f t h e b a s i n , a s i n t e r p r e t e d b y d e V o o g de t a l. ( 1 9 9 2 ) , i s a l s o a p o s s i b l y i m p o r t a n t p a r t o f t h i ss to ry .2.2. The Ionian margin of southern Calabria

T h e C a l a b r i a n a r c i s d i v i d e d i n t o t w o s e c t o r s . T h en o r t h e r n o n e i n c l u d e s t h e S i l a c r y s t a l l i n e u n i t s a n d as t a c k o f A p e n n i n e c a r b o n a t e f o r m a t i o n s p a r t ly o v e r -t h r u s t b y t h e S i l a g r a n i t e n a p p e s . S i n c e t h e C r e t a -c e o u s , t h e n o r t h e r n s e c t o r , w h i c h w a s c l o s e l y l i n k e dt o t h e e v o l u t i o n o f t h e A p e n n i n e c h a i n , h a s u n d e r -g o n e n e a r l y u n i n t e r r u p t e d d e f o r m a t i o n a l o n g a n a r e ap e r p e n d i c u l a r t o t h e m a j o r A p e n n i n e o r o g e n i c m o v e -m e n t s . T h e s o u t h e r n s e c t o r i s l i n k e d t o t h e e v o l u t i o no f t h e S i c i l i a n - M a g h r e b i d e s c h a i n ( B o c c a l e t t i e t a l. ,1 9 8 4 ) . A d r a m a t i c u p l i f t o f th i s r e g i o n ( 1 - 2 m m / y r . )o c c u r r e d i n t h e M i d d l e - L a t e P l e i s t o c e n e w i t h t h ed e v e l o p m e n t o f n o r m a l f a u l ti n g t e c to n i c s. D e t a i l e do n s h o r e a n d s o m e o f f s h o r e g e o l o g i c a l i n f o r m a t i o na r e g i v e n i n t h e S t r u c t u r a l M o d e l o f I t a l y ( C . N . R . ,1983) .

F r o m a t e c t o n i c p o i n t o f v i e w , t h e s o u t h e r n s e c t o ri s t h e m o s t a c t i v e a r e a o f t h e c e n t r a l M e d i t e r r a n e a n .C a s s i n i s a n d R a n z o n i ( 1 9 8 7 ) h a v e r e c o g n is e d , u n -d e r n e a t h C a l a b r i a , a b e l t w i t h a d e n s e c o n c e n t r a t i o no f e a r t h q u a k e s , s u b h o r i z o n t a l l y d i s tr i b u t e d a n d c o n -f i n e d c l o s e t o t h e c r u s t - m a n t l e b o u n d a r y a t 2 0 t o2 5 k m d e p t h . T h i s i n f o r m a t i o n i s s u p p o r t e d b y t h er e c o r d s o b t a i n e d b y a l o c a l s e i s m o l o g i c a l n e t ( C a r a -b e l l i e t a l . , 1 9 8 8 ) t h a t r e v e a l s a l a y e r p o s s e s s i n g as t r o n g s e i s m i c i t y a t a d e p t h r a n g e o f 1 5 t o 2 5 k m . As e c o n d s e i s m i c a l l y a c t i v e la y e r h a s b e e n f o u n d a t 5 0k m d e p t h . T h e s e s e i s m i c a l l y a c t i v e st r u c t u r e s a b u to n a n a r e a i n t h e T y r r h e n i a n S e a , w i t h d e e p - s e a t e ds e i s m i c i t y ( h y p o c e n t r e s l o c a t e d a t d e p t h s r e a c h i n gm o r e t h a n 4 0 0 k m ) .

F r o m t h e a b o v e o b s e r v a t i o n s , a c t i v e s u b d u c t i o no f th e I o n i a n c r u s t b e n e a t h t h e C a l a b r i a n a r c h a sb e e n h y p o t h e s i se d . O t h e r a u t h o r s ( P a t a c c a a n d S c a n -d o n e , 1 9 8 9 ) m a i n t a i n t h a t t h e s u b d u c t i o n s y s t e m i sb y n o w c o m p o s e d o n l y o f a n a r r o w r e l i c s l a b w h i c hi s n o w m e c h a n i c a l l y w e a k . M o r e o v e r , t h e y f o r e c a s tt h e c o l l a p s e o f l i t h o s p h e r i c b l o c k s b y g r a v i t y i n t ot h e m a n t l e , w h i c h m a y b e r e l a t e d t o m o d e r n s e i s m i ca c t i v i t y . H o w e v e r , t h e o p e n i n g o f t h e T y r r h e n i a n S e ac a n b e i n t e r p r e t e d a s a n a s y m m e t r i c p a s s i v e r i f t i n gd e v e l o p e d a s a c o n s e q u e n c e o f th e N - S c o l l i si o nb e t w e e n t h e A f r i c a n a n d E u r o p e a n p l a t e s o r m a yb e t he c o n s e q u e n c e o f lo w - a n g l e s h e a r d i s p l a c e m e n t( i . e . , a s h e a r p l a n e d i s p l a c e s t h e e n t i r e c r u s t a n d i ti s f o l l o w e d b y a u n i f o r m s t r e t c h i n g o f th e l o w e r a n dm o r e d u c t i l e p a r t s o f t h e l i t h o s p h e r e ). S u c h a d e l a m -i n a t i o n m o d e l c o u l d e x p l a i n t h e d e f o r m a t i o n s t y l eo f t h e c o n t i n e n t a l l i t h o s p h e r e a n d t h e u p l i f t o f t h em a n t l e d u e t o t e c t o n i c d e n u d a t i o n . A n o t h e r m o d e lc o u l d b e p r o p o s e d w h i c h i n v o l v e s t h e a c t i v e r o l e o ft h e m a n t l e w i t h a s t h e n o s p h e r i c i n t r u s i o n s a s p r o d -u c t s o f a t r a n s f o r m a t i o n o f t h e l i t h o s p h e r i c m a n t l e( a n d c r u s t ) , e n h a n c e d b y a t h e r m a l a n o m a l y a n d f l u i ds u p p l y f r o m d e e p m a n t l e s o u rc e s . T h e s o u t h e a s t w a r dm o t i o n o f a l e s s v i s c o u s a n d m o b i l i s e d a s t h e n o -s p h e r i c m a s s w o u l d t h e n b e t h e k i n e m a t i c s o u r c eo f t h e o b d u c t i o n o f t h e C a l a b r i a n c r u s t a l u n i t s o n t ot h e q u a s i - o c e a n i c I o n i a n c r u s t ( L o c a r d i a n d N i c o l i c h ,1988) .F e r r u c c i e t a l . ( 1 9 9 1 , a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ) h a v er e c o g n i s e d t h e b a s e o f t h e c r u st ( C a l a b r i a n M o h o ? )a t d e p th s o f n e a r l y 3 0 k m , o f f s h o r e t h e s o u t h e r nt i p o f C a l a b r i a , a n d a t d e p t h s o f a b o u t 1 8 k m i nt h e S e r r e r e g i o n . M o r e r e c e n t l y , a r e f l e c t i o n s e i s m i cp r o f i l e h a s b e e n a c q u i r e d i n t h e S e r r e m o u n t a i n a r e a( L U s c h e n e t a l . , 1 9 9 2 ) . T h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e s ed a t a c o n f i r m s t h e r e l a t i v e l y t h i n c r u s t o f t h e C a l a b r i ab l o c k , c h a r a c t e r i s e d b y r e f l e c t i v e i n t e r n a l s t r u c t u r e sa n d w i t h t h e b a s e a t a d e p t h o f a p p r o x i m a t e l y 1 8t o 2 0 k m , d i p p i n g s o u t h w a r d s . T h e d i s t r i b u t i o n o fi n t e r v a l v e l o c i t i e s w i t h i n t h e b l o c k , a s r e v e a l e d b yr e f r a c ti o n s e i s m i c a n d m o d e l l i n g t e c h n i q u e s a p p l i e dt o t h e re f l e c t i o n s e c t i o n , n e v e r e x c e e d s 6 . 0 - 6 . 4 k m / su n t il t h e b a s e o f t h e b l o c k i s r e a c h e d a t 6 .5 t o 7 .5s ( a b o u t 2 0 k m d e p t h ) . A t t h e b a s e , t h e v e l o c i t y i sp o o r l y c o n s t r a i n e d b u t i s n o t g r e a t e r t h a n 7 . 5 k m / s .T h e r e f o r e , w e m a y c o n s i d e r t h e c r u s t a l s t r u c t u r e si m a g e d b y t h e S e r r e p r o f i l e a s r e p r e s e n t i n g a s t a c k


5/10

L . C e r n o b o r i e t a l. / T e c to n o p h y s i c s 2 6 4 ( 1 9 9 6 ) 1 7 5 - 1 8 9 179o f s t r o n g ly d e f o r m e d a n d s h e a r ed m e t a m o r p h i c u n i tsr e l a t e d t o th e A p e n n i n e c o l l i si o n a l o r o g e n y .3 . S T R E A M E R S d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g

P r e v i o u s d i s c u s s i o n o f c r u s t a l s t r u c tu r e b e n e a t ht h e I o n i a n b a s i n w a s l i m i t e d b y s h a l l o w p e n e t r a -t i o n s e is m i c o f t h e 1 9 7 0 ' s w h i c h w a s s h o t w i t h lo ws o u r c e p o w e r a n d l o w f o l d c o v e r a g e ( F i n e t t i , 1 9 8 2 ) .M o r e v i g o r o u s p r o g r a m s , e m p l o y i n g t h e f u l l p o w e ro f m u l t i - c h a n n e l r e f l e c t i o n s e i s m i c , h a v e r e c e n t l yb e e n e f f e c t i v e i n i m a g i n g t h e c r u s t u n d e r n e a t h t h eo c e a n s ( Ro s e n d h a l e t a l . , 1 9 9 2 ) . T h e s e i m a g e s o fo c e a n i c c r u s t h a v e h i g h l i g h t e d s h a r p l a t e r a l v a r i -a t i o n s i n t h e f o r m o f d i p p i n g e v e n t s w h i c h c u tt h r o u g h t h e c r u s t i m p l y i n g a n o n - u n i f o r m s t r u c t u r ef o r o c e a n i c c r u s t ( M c B r i d e e t a l. , 1 9 9 4 ) .T h e a c q u i s it io n o f t h e S T R E A M E R S d a t a w a sc a r r i e d o u t w i t h t h e G e k o - P r a k l a M / V B i n H a i 5 1 1u s i n g a 1 8 0 - c h a n n e l 4 . 5 - k m s t r e a m e r a n d a 7 1 1 8 -i n c h 3 tu n e d a i r g u n s o u r c e w i t h s h o t s p a c i n g o f 5 0o r 7 5 m p r o v i d i n g h i g h - f o l d c o v e r a g e ( 3 0 0 0 % o r4 5 0 0 % ) . T h e s i x l i n e s ( I O N - l , - 2 , - 3 , - 4 , - 5 , - 6 ,in F ig . 1 ) show good s ignal qua l i ty down to thel o w e r c r u s t , d u e t o t h e v e r y l a r g e v o l u m e a n d a r e a l l ye x t e n s i v e a i r g u n a r r a y . B I RP S w a s t h e t e c h n i c a lopera to r .

T h e m a j o r r e s u l t s o b t a i n e d i n c l u d e : p e n e t r a t i o nt h r o u g h t h e w h o l e c r u s t o f t h e I o n i a n Se a , r e s o l u t i o no f th e d e e p f r a m e w o r k o f t h e b a s in m a r g i n s, h i n tsr e g a r d i n g t h e s e d i m e n t / l o w e r - c r u s t r e l a t io n s , a n d t h es u c c e s s f u l a c q u i s i t i o n o f c o i n c i d e n t n e a r - n o r m a l i n -c i d e n c e a n d w i d e - a n g l e d a t a t h a t a l l o w e d l a n d w a r de x t e n s io n o f t h e m a r i n e c o v e r a g e .

T h e p r o c e s s i n g s e q u e n c e i n c l u d e d c o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e s w i t h m i n o r m o d i f i c a t i o n s d e s i g n e d t o e n -h a n c e d e e p r e f l e c t i o n s . O n e i m p o r t a n t s t e p w a s t h ea r r a y s i m u l a t i o n a p p l i e d a s a t i m e v a r i a n t w e i g h t e dt r a c e m i x , a p p l i e d i n t h e s h o t d o m a i n t o s i m u -l a t e w e i g h t e d r e c e i v e r s a r r a y s u p t o 2 0 0 m o v e r -a l l l e n g t h . T h i s m i x i n g s u p p r e s s e d s t e e p l y d i p p i n gb a c k - s c a t t e r e d n o i s e a n d h e l p e d s o l v e s p a t i a l a l i a s -i n g p r o b l e m s w h e n f r e q u e n c y - w a v e n u m b e r f il te r in gw a s r e q u i r e d . T h e p o s t - s t a c k p r o c e s s i n g w a s a i m e da t t he e n h a n c e m e n t o f t h e l o w - f r e q u e n c y l o w e r -c r u str e f l e c t in g b a n d t h r o u g h r e s a m p l i n g a t 1 6 m s a n d t h eapp l i ca t ion o f robus t band-pass f i l te rs . A fu r the r ap -p l i ca t i o n o f an a d a p t i v e A G C ( A A G C ) e n h a n c e d t h e

m a i n r e f l e c t o r s a n d p r o v i d e d t h e b a s i s f o r t h e l i n edrawing in te rp re ta t ion .

A d v a n c e d p r o c e s s i n g w a s a p p l i e d o n l y t o t h eI O N - 1 l in e . H e r e a d e c o n v o l u t i o n b e f o r e s t a c k( D . B . S . : o p e r a t o r l e n g t h o f 3 0 0 m s , l a g o f 3 2 m sw i t h t w o w i n d o w s ) w a s t e s t e d . T h i s d e c o n v o l u t i o no p e r a t o r h a s i m p r o v e d t h e i m a g e o f th e u p p e r s e d -i m e n t a r y c r u s t b u t d i d n o t a f f e c t t h e l o w e r - c r u s t a lre f l ec t iv i ty . A dec i s ive f ac to r in the p rocess ing se-q u e n c e w a s t h e c a n c e l l a t i o n o f t h e f i r s t c o h e r e n ts e a - b o t t o m m u l t i p l e w h i c h h a s b e e n o b t a i n e d m a k -i n g u s e o f t h e m e d i a n f i l t e r i n g t e c h n i q u e n o r m a l l yu t i l i s e d i n V SP d a t a p r o c e s s i n g . T h e d a t a w e r e f i r s ta l i g n e d , a c c o r d i n g t o t h e m o v e o u t o f t h e f i r s t m u l -t i p l e , a n d t h e n t h e l i n e a r i s e d c o h e r e n t e v e n t s w e r er e j e c t e d a c c o r d i n g t o s p e c i f ie d m o v e o u t s . A n i n v e r s eN M O c o r r e c t i o n r e s to r e d t h e o r ig i n a l p o s i ti o n o ft h e s i g n a l s . Re m o v i n g t h e h i g h - e n e r g y f i r s t m u l t i -p l e s f r o m t h e s e c t i o n s u s u a l l y g e n e r a t e s a ' s h a d o wz o n e ' i n t h e a m p l i t u d e s w h i c h c a n n o t b e r e c o v e r e db y s t a n d a r d s c a le r s . T h e a d a p t i v e A G C , u t i li s in g t w ow i n d o w s o f d i f f e r e n t l e n g t h ( t h e s h o r t e r o n e b e i n ga d o p t e d f o r t h e s h a d o w z o n e s ) , h a s c o u n t e r b a l a n c e dth i s e f fec t .

T h e p r o c e s s i n g h a s b e e n d o n e i n A t h e n s b y t h eP e t r o l e u m C o r p o ra t i o n o f G r e e c e ( D E P - E K Y ) a n d a tt h e D I N M A - U n i v e r s i t y o f T r i e st e .4 . P r o f i le e x a m p l e s a n d l i n e d r a w i n gin t e r p r e t a t io n

T h e l i ne d r a w i n g o f t h e S T R E A M E R S I o n ia npro f i l es i s g iven in F ig . 2 . The l ine-d rawing repre-sen t s a f i r s t i n t e rp re ta t ion o f the se i smic l ines , mark-i n g o n l y t h e m a i n r e f l e c t i o n s t h a t h a v e g o o d s p a t i a lc o r r e l a t i o n . O n l y o n l i n e I O N - l , w h e r e t h e r e f l e c -t i o n l a y e r i n g i s s u b - h o r i z o n t a l a n d w i t h o u t c o m p l e xtec ton ic d i s rup t ions , i t was po ss ib le to recogn i ses t ra t ig raph ic un i t s (F ig . 3 ) . The s t ra t ig raph ic co r re-l a t i o n w a s m a d e f o l l o w i n g t h e i n t e r p r e t a t i o n g i v e nb y C a s e r o e t a l . ( 1 9 8 4 , 1 9 8 8 ) . T h e t o p m o s t h o r i z o n( F i g. 3 ) c o r r e s p o n d s t o t h e b a s e o f t h e L a t e P l i o c e n ea n d Q u a t e r n a r y c l a y s . B e n e a t h t h i s w e h a v e i d e n t i -f i ed t h e E a r l y P l i o c e n e T r u b i u n i t, a n d t h e M e s s i n i a nsa l t . Th i s l as t un i t canno t be very th ick (on ly a f ewh u n d r e d m e t r e s ) b e c a u s e t h e r e i s n o e v i d e n c e o f s a l td o m e s a n d , b a s e d o n o u t c r o p s i n S i c i l y a n d C a l a b r i a ,w e p r e f e r t h e i n t e r p r e t a t i o n o f a q u a s i - t r a n s p a r e n t


6/10

1 8 0 L . C e r n o b o r i e t a l . / T e c to n o p h y s i c s 2 6 4 ( 1 9 9 6 ) 1 7 5 - 1 8 9

O m2 ~4 ~6 Z

~ 8 ~101 2 - -14----16

O m2 ~4 Z6 ~8 ~~ -

14 ~i6 ~

S T R EA M E R SS W N EI O N I I

P R O J E C T . l i n e d ra to in gsj I O N 2 j I O N 3 N

E S E WNW E WI O N 6 I I O N 5 ~ I O N 4

I I [ I I I I I I I I ~ . " I

0 SO I00 KmF i g . 2 . L i n e d r a w i n g o f t h e p r o f i l e s .

0

_ _ 0Z 2~ 4~ 6

8- - 1 0 ~Z 1 2

14----16

l a y e r o f p r e -e v a p o r i t i c m a r l s a n d s a nd s , m o r e t h a n 1k m t h i c k , t o b e t h e p r i n c i p a l s t r a t i g r a p h i c c o m p o n e n to f t h e M e s s i n i a n . T h e p i n c h i n g -o u t o f t he M e s s i n i a na n d o f t h e w e l l - l a y e r e d T o r t o n ia n s h a l e s a n d m a r l st o w a r d s t h e M E ( C a s e r o e t a l . , 1 9 8 8 ) a t t e s t s t o t h ei m p o r t a n c e o f t h e p o s t - T o r t o n i a n t e c t o n i c e v o l u t i o no f t h e a r e a . I n f a c t , t h e T o r t o n i a n i s l o c a l l y a b s e n ti n t h e w e l l s d r i l l e d i n t h e M a l t a - R a g u s a p l a t f o r m( e . g . t h e w e l l P i l a d e e s t 1 , F i g , 1 ) . T h e c o r r e l a t i o no f t h e s e i s m i c l i n e s t o d ri l l h o l e s c o n f i r m s t h e c o n -t i n u i t y t h r o u g h t h e E s c a r p m e n t o f t h e S e r r a v a l l i a nt o O l i g o c e n e f o r m a t i o n s . T h e C r e t a c e o u s c a r b o n a t e sa r e u n d e r l a i n b y J u r a s s i c l i m e s t o n e s , b u t w e c a n n o tm a k e i n f e r e n c e s a b o u t t h e T r i a s s i c o r d e e p e r c r y s -t a l l i n e u n i t s . H o w e v e r , T r i a s s i c l i m e s t o n e h a s b e e nc o l l e c t e d a t t h e b a s e o f t h e w a l l o f t h e E s c a r p m e n t( B i z o n e t a l. , 1 9 8 5 ) .

A s t h e l o w e r - c r u s t r e f l e c t i v e b a n d d i p s t o w a r d st h e M E , i t a p p e a r s t o f o r m a n a r c h , w h i c h b e c o m e sm o r e d r a m a t i c t o w a r d s t h e n o r t h e r n t r a c t o f t h e M E( C e r n o b o r i e t a l ., 1 9 9 4 ) . I n t h e m i d d l e o f t h e I O N - 1p r o f i l e , t h e b a s e o f th e c r u s t c a n b e i d e n t i f i e d a t 1 6 -1 7 k m d e p t h . A n i m p o r t a n t t e c to n i c l i n e a m e n t ( L i nt h e s e c t i o n o f F i g. 3 ) s e p a r a t e s t h i s p a r t o f t h e I o n i a n

a b y s s a l p l a i n f r o m t h e C a l a b r i a n a r c s t r u c t u r e s a n dt h e c e n t r a l I o n i a n S e a . A s t r i k e - s l ip i n t e r p r e t a t i o n h a sb e e n m a d e f o r t h i s f e a t u r e ( s e e a l s o C . N . R . , 1 9 8 3 )a n d i t s r e c e n t a c t i v i t y i s s u g g e s t e d b y t h e p r e s e n c eo f s y n - r i f t d e p o s i t s a p p a r e n t l y o f P l e i s t o c e n e a g e( P i n F i g . 3 ) . T h e l i n e a m e n t s h a r p l y c u t s t h e s t a c ko f t h e r e f l e c t o r s b e l o w t h e M e s s i n i a n p r e - e v a p o r i t i cd e p o s i t s d o w n t o t h e b a s e o f t h e c r u s t . T o t h e e a s to f i t, w e e n t e r a s e v e r e l y m o b i l i s e d d o m a i n , w h e r et r a c e s o f r e f l e c t i v e p a t t e r n s o f t h e c a r b o n a t e f o r m a -t i on s o f t h e R a g u s a - M a l t a a r e a a r e s t il l r e c o g n i s a b l ea n d w h e r e t h e t o p o g r a p h y o f t he b a s e o f t he c r u s ta p p e a r s v a r i a b l e b e c a u s e o f d e f o r m a t i o n a n d / o r v e -l o c i t y p u l l - u p o r p u l l - d o w n i n t h e r e f le c t i o n t i m e s b yl a t e r a l v e l o c i t y v a r i a t i o n s .

P r o f i l e I O N - 2 ( F i g . 4 ) m o v e s n o r t h w a r d i n t o t h eC a l a b r i a n a r c d o m a i n . E v i d e n c e o f n o r t h - v e r g i n gt h r u s t p l a n e s a p p e a r s o n t h e s e i s m i c l i n e . T h e t h i c ks e d i m e n t s c o n s i s t o f a s e r i e s o f t h r u s t s t h a t a f f e c tt h e s e d i m e n t a r y c o v e r . T h e s e d i m e n t s a r e p i le d o n t ot h e f r o n t o f t h e b a s in a n d a r e s e v e r e l y d e f o r m e d a ss u g g e s t e d b y t h e v e r y l o w P - v e l o c i t i e s ( M a k r i s e ta l . , 1 9 8 6 ) . W e h a v e n o t r e c o g n i s e d a n y o u t s t a n d i n gf e a t u r e b e n e a t h t h e d e f o r m e d s e d i m e n t s , o t h e r t h a n


7/10


8/10

1822. 000

3. 000

2 4 6

L . C e r n o b o r i et a l . / T e c t o n o p h y s i c s 2 6 4 ( 1 9 9 6 ) 1 7 5 - 1 8 9

8 10 12 14 16 KrnI

2.000

3.000

4.000

S N4.000

5 . 0 0 0 5.000

6.000 6.000

7.000 7.000

8 . 0 0 0 8 . 0 0 0

9.000 9.000

I0.000 10.000

tl. O00 I1 .000

12.000 t2 .000

13. 000 13. 000Fig. 4. Part of the line ION-2: a slight thickening of the crust towards the north can be observed. The lower crustal reflective band isindicated.the lower-crustal reflecting band which is still quitevisible and confirms the depth of the Moho, situatedat the base of reflectivity, at 18 to 20 km along theline. Therefore, we have a slight crustal thickeningtowards Calabria.Profile ION-3 (Fig. 5) furnishes an image of theinteraction of the Ionian with the Catabrian block.The superficial, unconsolidated sediments overlyingthis crustal block are affected by major thrustingand a wide piggy- back basin (the Spartivento basin).This basin is related to accommodat ion processes oc-curring at the rear of the accretionary wedge whichmaintain the basin's stable geometry in response to

underplating. The line shows only a few indicationsof the seaward extension of the Calabrian block withsouthward-dipping reflectors recognised at 7 to 10s. An important flexure of the Ionian lower crustcan be documented from the topography of the bandof lower-crustal reflectors. The time-deepening canbe partially due to the velocity pull-down of thesedimentary pile of the arc, but a true dip of ap-proximately 18% over 60 km distance appears tobe genuine, i.e., Moho deepening from about 20km to 30 km. The average velocity used for thedepth conversion (approximately 5 km/s from thesea bottom) has been obtained from the stack ve-


9/10

000

.000

1.000

I.OOO

2.000

2.000

3.000

3.000

4.000

4.000

5.OOO

5.000

0.000

5.000

7.000

7.000

8.000

8.000

9.000

9.000

0.000

10,000

l.OOO

[~.000

2.000-

12.000

3.000-

13.000

4.000

14.000

5,000

15.000

t.~

xo

~o I ',

o

~ig.5.LineION-3:majorthrustingandpiggy-backbasins(Spartivento)areimagedwithinthethicksedimentarycoverandanimportantflexureoftheIonianlowercrustis

Iocumented(brightreflectionsterminationat15sTWTontheleft).ThislinedoesnotclearlyshowtheseawardextensionoftheCalabrianblockstructures.


10/10

18 4 L. Cernobori e t aL /Tectonophys ics 264 (1996) 175-189

l o c i t y a n a l y s e s i n t e g r a t ed w i t h t h e D S S d a t a f r o mM a k r i s e t a l. ( 1 9 8 6 ) . T h e a b r up t t e rm i n a t i o n o f t h ed e e p - c r u s t a l s i g n a t u r e , t y p i c a l o f t h e I o n i a n d o m a i n ,b e l o w t h e s o u t h e r n t i p o f t h e S p a r t i v e n t o b a s i n , c a nb e r e l a t e d t o a p o o r s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o a t 1 5 s . I tc o u l d a l s o b e a n e f f e c t o f a sh a r p v e l o c i t y i n c r e a s e i nt h e s tr a ta c o r r e s p o n d i n g t o t h e o v e r t h r u st C a l a b r i a nc r y s t a l l i n e u n i t s, o r p o s s i b l y t o e x t r e m e d i p s , o r e v e n

t o t e c t o n i c d i s c o n t i n u i t i e s a t d e p t h i n t h e c o l l i s i o nz o n e .

S i m i l a r i m a g e s , f r o m t h e e a s t w a r d e x t e n s i o n o ft h e C a l a b r i a b l o c k , a p p e a r o n l i n e I O N - 4 ( F i g . 6 ) .O f f s h o r e w e l l d a t a ( L u c i a n a 1 : A G I P , 1 9 7 7 ) v a l i d a t et h e p r e s e n c e o f c r y s t a l l i n e u n i t s , w h i c h c a n b e e a s i l yf o l l o w e d a l o n g t h e l in e ( d i p p i n g e a s t w a r d s f r o m 1 t o5 s ) . T h e s e d i m e n t s a c c u m u l a t e d o v e r t h e t o p o f t h e

0 0 0

j ~ W E L L L U C I A N A 1[p ro j ected )I2 4 6 8 10 12 14 16 Km I1

. 0 0 0

1 .000

2 . 0 0 0

3 . 0 0 0

4 .000

5 . 0 0 0

6 .000

7 .000

8 . 0 0 0

9 . 0 0 0

l O . O 0 0

! 1 . 0 8 0

12 .000

1 3 . 0 0 0

14 .000

15 .000

1 . 0 0 0

? . O O O

3 . 0 0 0

d. O0 0

5 . 0 0 0

8. 00 0

7 .000

8 .000

9 .008

10.000

I I .O00

12 .000

13 .000

14 .000

1S. OOO

F i g . 6 . T h e p o s i t i o n o f t h e p r o j e c t e d w e l l o n l i n e I O N - 4 m a r k s t h e r e f le c t i o n fr o m t h e t o p o f t h e g r a n i t i c b a s e m e n t . I t s e p a r a te s t h e l a r g es t a c k o f s e d i m e n t s f r o m a l a y e r e d i n t e r m e d i a t e c r u s t o f t h e I o n i a n e x t e n s i o n o f t h e C a l a b r i a n b l o c k . T h e b a s e o f t h i s c r u s t a l u n i t c a n b el o c a t e d a t 9 - 1 0 s T W T , w h i l e a t h i c k d o t i n d i c a t e s t h e I o n i a n M o h o d e p t h f r o m w i d e - a n g l e d a t a (F e r r u c c i e t a l . , 1991) .

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