Temporal Variations of Crustal Properties in Northern Chile Analyzed with Receiver Functions and Passive Image Interferometry

Abstract

This thesis analyzes temporal variations of crustal properties in northern Chile. The seismic broadband stations of the Integrated Plate Boundary Observatory Chile which started operating in 2006 deliver the data for this work. In the neighborhood of the seismic stations a MW 7.7 earthquake occurred near Tocopilla on 14 November 2007 at 52 km depth. Velocity changes following large earthquakes have been observed by different authors in ambient noise data. There are indications that also receiver functions could be used for that purpose. Though the origin of crustal velocity changes is still debated, they certainly provide insights into physical processes in the Earth’s crust. In this work I employ two complementary methods to study the velocity variations. In the first part of the work, the feasibility to use receiver functions for monitoring purposes in northern Chile is investigated and an appropriate method is developed. The receiver function technique could permit to locate possible velocity variations in depth. To avoid varying travel paths of different events the arrival of converted phases is compared for events located in a small source region. Although temporal variations are found in this study, the conclusion on a spatially persistent velocity change is not possible because statistical variations are still too high. In the second part of the thesis the temporal variability of Green’s functions constructed from the cross- and auto-correlation of ambient noise is studied with the help of a technique called passive image interferometry. Daily cross-correlation and autocorrelation functions are calculated over a period of 5 years for low (under 0.5 Hz) and high (above 1 Hz) frequencies. Earthquake and temperature related velocity changes in the correlation functions are observed only for high frequencies. The necessary stacking over 10 days hides potential velocity changes on a shorter time scale for low frequencies. Short-term velocity drops recovering after several days to weeks are observed for the Tocopilla earthquake at most stations. At the two stations PB05 and PATCX a velocity decrease is observed, which recovers over the course of around two years. While station PB05 is located in the rupture area of the Tocopilla earthquake this is not the case for station PATCX. Station PATCX is situated in an area with particular geological conditions and presents superior sensitivity to ground acceleration and periodic surface induced changes. Due to this high sensitivity a velocity response of several regional earthquakes at PATCX is observed. It can be shown that a linear relationship between the amplitude of velocity drops and peak ground acceleration exists for data from a single station. This relationship does not hold true when comparing different stations due to the different sensitivities of the station environments. Besides, periodic annual velocity changes measured at PATCX are presented. By analyzing data at a temporal resolution below one day it is possible to identify velocity changes with a period of 24 hours. The results indicate an atmospheric origin of the velocity changes that can be confirmed with a model based on thermally induced stress. This comprehensive model explains the frequency and lag time dependence of the temperature-related seismic velocity changes involving the distribution of temperature fluctuations, the relationship between temperature, stress and velocity change plus autocorrelation sensitivity kernels.

Diese Dissertation analysiert zeitliche Variationen der Krusteneigenschaften im Norden Chiles. Die seismischen Breitbandstationen des „Integrated Plate Boundary Observatory Chile“, das 2006 gestartet wurde, liefern die Daten für diese Arbeit. In der Nähe von Tocopilla in 52 km Tiefe wurde am 14. November 2007 ein MW 7,7 starkes Erdbeben regis- triert. Geschwindigkeitsveränderungen nach großen Erdbeben konnten von verschiedenen Autoren mit Hilfe von Techniken, die das seismische Rauschen benutzen, nachgewie- sen werden. Es gibt auch Hinweise darauf, dass Receiver-Funktionen für diesen Zweck verwendet werden könnten. Der Ursprung der krustalen Geschwindigkeitsänderungen wird noch diskutiert, sicher ist jedoch, dass sie wertvolle Einblicke in die physikalischen Prozesse der Erdkruste liefern. In dieser Arbeit verwende ich zwei komplementäre Methoden, um Geschwindigkeitsva- riationen zu studieren. Im ersten Teil der Arbeit wird untersucht, ob es möglich ist mit Hilfe von Receiver-Funktionen im Norden Chiles zeitliche Veränderungen der Geschwin- digkeit nachzuweisen. Die Receiver-Funktionen-Technik könnte es erlauben, mögliche Geschwindigkeitsschwankungen in der tieferen Kruste zu beobachten. Um schwankende Laufwege und Ankunftszeiten der konvertierten Phasen von verschiedenen Erdbeben zu vermeiden, wird nur die Variation der Ankunftsverzögerung für Erdbeben aus einer kleinen Quellregion verglichen. Obwohl zeitliche Variationen in dieser Studie beobachtet werden, kann der Schluss auf eine räumlich ausgedehnte Geschwindigkeitsänderung aufgrund von immer noch zu hohen statistischen Variationen nicht erfolgen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die zeitliche Variabilität Greenscher Funktionen, die durch Kreuz- und Autokorrelation des seismischen Rauschens konstruiert werden, mit Hilfe einer Streckungs- und Stauchungstechnik (Passive Image Interferometry) untersucht. Aus den Daten eines Tages konstruierte Kreuzkorrelations- und Autokorrelationsfunktio- nen werden über einen Zeitraum von 5 Jahren für niedrige (unter 0,5 Hz) beziehungsweise hohe (über 1 Hz) Frequenzen berechnet. Von Erdbeben und Temperaturschwankungen induzierte Geschwindigkeitsänderungen in den Korrelationsfunktionen werden für hohe Frequenzen beobachtet. Die für niedrige Frequenzen notwendige Stapelung über 10 Tage verdeckt potenzielle Geschwindigkeitsänderungen, die auf einer kürzeren Zeitskala erfolgen. Kurzzeitige Geschwindigkeitsabfälle, welche sich nach mehreren Tagen bis Wo- chen wieder regenerieren, werden für das Tocopilla-Erdbeben bei den meisten Stationen beobachtet. An den zwei Stationen PB05 und PATCX wird ein länger andauernder Geschwindigkeitsrückgang beobachtet, so dass erst im Laufe von etwa zwei Jahren das Geschwindigkeitsniveau vor dem Erdbeben erreicht wird. Während die Station PB05 über der Bruchfläche des Tocopilla-Erdbebens liegt, trifft dies auf die Station PATCX nicht zu. PATCX liegt in einem Gebiet mit besonderen geologischen Bedingungen und hat eine höhere Sensitivität gegenüber Bodenbeschleunigungen und periodisch induzier- ten oberflächennahen Veränderungen. Aufgrund dieser hohen Empfindlichkeit ist eine vorübergehende Geschwindigkeitsreduktion bei mehreren regionalen Erdbeben an der Sta- tion PATCX beobachtbar. Es kann gezeigt werden, dass eine lineare Beziehung zwischen der Amplitude der Geschwindigkeitsreduktion und der Spitzenbodenbeschleunigung für Daten einer Station vorhanden ist. Diese Beziehung gilt nicht beim Vergleich verschiede- ner Stationen aufgrund der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Stationsumgebungen. Außerdem werden periodisch auftretende, jährliche Geschwindigkeitsänderungen an der Station PATCX gemessen. Durch die Analyse der Daten mit einer zeitlichen Auflösung von unter einem Tag können auch Geschwindigkeitsänderungen mit einer Periodizität von 24 Stunden nachgewiesen werden. Die Ergebnisse implizieren einen atmosphäri- schen Ursprung der Geschwindigkeitsänderungen, der mit einem Modell, das thermisch induzierte Spannungen beschreibt, bestätigt werden kann. Dieses Modell erklärt die Abhängigkeit der temperaturbedingten seismischen Geschwindigkeitsänderungen von der Frequenz und vom ausgewerteten Zeitfenster der benutzten Daten und umfasst die Ver- teilung der Temperaturschwankungen, die Beziehung zwischen Temperatur-, Spannungs- und Geschwindigkeitsvariationen sowie räumliche Kernel für die Empfindlichkeit der Autokorrelationsfunktionen.