Active deformation in the southern Andes from GPS and FEM models

Aktive Deformation in den südlichen Anden abgeleitet aus GPS und FEM models

  • Spatial and temporal variations of surface deformation along subduction zones provide primary information for understanding the process of great earthquakes. This study presents observations of recent crustal deformation and numerical modeling to explore the interplay between earthquake cycle and upper plate fault deformation in the southern Andean forearc (36-46°S). It includes surface displacements derived from a dense array of GPS stations and 3D viscoelastic FEMs that simulate forearc deformSpatial and temporal variations of surface deformation along subduction zones provide primary information for understanding the process of great earthquakes. This study presents observations of recent crustal deformation and numerical modeling to explore the interplay between earthquake cycle and upper plate fault deformation in the southern Andean forearc (36-46°S). It includes surface displacements derived from a dense array of GPS stations and 3D viscoelastic FEMs that simulate forearc deformation processes. GPS-derived velocities show a heterogeneous surface deformation, which mainly resembles a seismotectonic segmentation defined by the rupture zones of two previous megathrust earthquakes; the Concepción 1835 (M~8.5) and Valdivia 1960 (Mw=9.5). The great 1960 event plays a principal role in the active surface deformation. It has induced a prolonged postseismic viscoelastic deformation and it has affected the degree of plate locking. Postseismic viscoelastic deformation produces seaward displacements of up to ~20 mm/yr and counterclockwise rotation across the northern limit of the rupture zone. Along the Valdivia segment, the interface appears to be strongly locked in the central part of the rupture zone, which might fail in the future before the entire megathrust of this segment is fully locked. Conversely, the Concepción segment seems to be fully locked along the entire segment, suggesting an advanced interseismic phase. This segment has not ruptured in a M>8 earthquake since 1835, and may be considered as a potential area to host a future earthquake. A second-order deformation signal is associated with forearc sliver motion, which spatially coincides with the Valdivia segment. This motion absorbs ∼25% of the margin-parallel plate convergence and decreases northward. It produces spatial and temporal redistribution of the stress field over a suit of existing crustal-scale faults, revealing a block-like forearc deformation. A buttress effect related to a major lithologic discontinuity across the leading edge of the sliver resists the translation and produces transpressional deformation. The degree of strain partitioning decreases considerably along the Concepción segment. Here, crustal faults may affect the interseismic deformation locally but with significant amplitude. Forearc sliver translation, partitioning gradient and margin parallel shortening are long-term features of this margin. Hence, lateral variations in the upper plate may have controlled the plate interface properties causing long-term seismic slip to vary along the subduction zone. Major geological features of the forearc most probably control the spatial recurrence of megathrust earthquakes in the southern Andes.show moreshow less
  • Räumliche und zeitliche Variationen der Oberflächendeformation entlang von Subduktionszonen geben wichtige Informationen zum Verständnis des Ablaufs von schweren Erdbeben. In dieser Arbeit werden Beobachtungen der gegenwärtigen Deformation der Erdkruste und numerische Modellierungen präsentiert, um den Zusammenhang zwischen dem Erdbebenzyklus und der Deformation der Verwerfungszone der oberen Platte im südlichen Andinen Forearc (36-46°S) zu untersuchen. Die Untersuchung basiert einerseits auf ObRäumliche und zeitliche Variationen der Oberflächendeformation entlang von Subduktionszonen geben wichtige Informationen zum Verständnis des Ablaufs von schweren Erdbeben. In dieser Arbeit werden Beobachtungen der gegenwärtigen Deformation der Erdkruste und numerische Modellierungen präsentiert, um den Zusammenhang zwischen dem Erdbebenzyklus und der Deformation der Verwerfungszone der oberen Platte im südlichen Andinen Forearc (36-46°S) zu untersuchen. Die Untersuchung basiert einerseits auf Oberflächendeformationen, die in einer dichten Anordnung von GPS Stationen ermittelt wurden, sowie auf numerischer Simulation der Deformationsprozesse im Forearc mittels 3D viskoelastische FEM. Die mittels GPS abgeleiteten Geschwindigkeiten zeigen eine heterogene Oberflächendeformation, welche jener seismotektonischen Segmentierung sehr ähnelt, die durch die Ausbrüche der beiden zurückliegenden Megathrust Erdbeben in Concepción 1835 (M~8.5) und Valdivia 1960 (Mw=9.5) verursacht wurde. Das Beben von 1960 spielt eine Hauptrolle in der aktiven Oberflächendeformation, da es eine anhaltende postseismisch viskoelastische Deformation induziert hat und den Grad der Kopplung beeinflusst hat. Die postseismische viskoelastische Deformation verursacht seewärts Verschiebungen von bis zu ∼20 mm/Jahr und eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn quer über den nördlichen Rand der Bruchzone. Entlang des Valdivia Segments scheint die Grenzfläche stark im zentralen Bereich des Bruchs gekoppelt zu sein, was aber später nicht mehr der Fall sein muss, auch wenn in der Zukunft der ganze Druck in diesem Segment völlig gekoppelt sein wird. Im Gegensatz dazu scheint das Concepción Segment stark entlang des ganzen Segments gekoppelt zu sein, was auf eine fortgeschrittene interseismische Phase hindeutet. Dieses Segment ist in keinem M>8 Erdbeben seit 1835 aktiv gewesen und kann daher als potentieller Kandidat für ein Megathrust Erdbeben in naher Zukunft angesehen werden. Ein Deformationssignal zweiter Ordnung ist verknüpft mit der Bewegung des Forearc-Sliver, welcher räumlich mit dem Valdivia Segment zusammenfallt. Diese Bewegung absorbiert ~25% der plattenrandparallelen Konvergenz und verringert sich nordwärts. Dies löst eine räumliche und zeitliche Umverteilung des Spannungsfeldes der existierenden krustenskaligen Verwerfungen aus, die eine blockartige Forearc-Deformation erkennen lässt. Ein Stützeffekt widersteht der Translationsbewegung bezüglich der großen lithologischen Diskontinuität, welche quer über die Vorderkante des Forearc-Sliver verläuft, und erzeugt so eine transpressionale Deformation. Dabei verringert sich der Grad der Dehnungsverteilung entlang des Concepción Segments beträchtlich. Krustenverwerfungen können hier die interseismische Deformation zwar nur lokal, jedoch maßgeblich, beeinflussen. Die Translationsbewegung des Forearc-Sliver, die Verteilung des Gradienten und die randparallele Verkürzung sind Merkmale, die erst auf lange Sicht hin erkennbar werden. Demzufolge können laterale Variationen in der oberen Platte die Eigenschaften der Plattengrenzschicht bestimmt haben, welche ursächlich für die Variation des langfristigen seismischen Slips entlang der Subduktionszone sind. Wichtige geologische Merkmale des Forearcs bestimmen höchstwahrscheinlich das erneute Auftreten von Megathrust Erdbeben im Gebiet der südlichen Anden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Marcos Moreno
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-27434
Advisor:Priv. Doz. Dr. Jürgen Klotz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/08/12
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2010/02/23
Release Date:2010/08/12
Tag:Erdbeben; GPS; Geodäsie; Subduktion; Tektonik
GPS; earthquakes; geodesy; subduction; tectonic
Institutes:Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)