Abstract
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 »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.
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.
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.
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.
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.
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 »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. 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. 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. 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. 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.