Kinematic and dynamic characterization of the subduction seismic cycle in Northern and South-Central Chile: Modelling the Iquique 2014 Mw 8.1 and Maule 2010 Mw 8.8 GPS data and interpreting models alongside existing seismic catalogues.

Abstract

The surface displacement measurements afforded in the new era of satellite geodesy have proven to be a valuable complimentary data set in addition to the seismic monitoring of active subduction margins. Being able to accurately measure the respective plate motions with high spatial and temporal frequency has inspired many modelling initiatives investigating both heterogeneous plate-interface kinematics and subduction zone seismic cycle dynamics. The isolation of plate interface kinematics from the surface signal and the robust modelling of the kinematic source provide the case-studies against which mechanical models of earthquake recurrence can be benchmarked, and is therefore of utmost importance for intermediate-long term hazard assessment of a subduction margin. In this PhD thesis I present the investigations into the subduction zone seismic cycle plate-interface kinematics and viscoelastic dynamics of the subduction zone in response to the megathrust earthquake. I compare kinematic models to seismicity in order to gauge the heterogeneity in seismic efficiency across the plate interface in both the interseismic and postseismic phases of the earthquake cycle. I attempt to separate the various signals coming from simultaneous postseismic processes and explore and present a discussion of the non-uniqueness of the solution parameter space for the separated signals. For these investigations I use the GPS data and published seismic catalogues from the Chile Maule 2010 Mw 8.8 and Pisagua-Iquique 2014 Mw 8.1 megathrust events. From the Maule investigations, I find that afterslip is a dominant early postseismic process (decaying over 3-4 years) that is well captured due to the excellent coverage of near-field continuous GPS (cGPS). Afterslip spatiotemporal features are well resolved in certain regions and the comparison of afterslip to coseismic slip can reveal regions of the plate interface that are more likely to fail with large magnitude aftershocks. Postseismic processes can be separated if we make some assumptions about afterslip behaviour: To separate the simultaneous postseismic signals I develop the Postseismic Straightening method. The separation considers three postseismic processes: plate interface re-locking, afterslip, and viscoelastic relaxation. Plate re-locking is a traditionally neglected postseismic process that when modelled in combination with viscoelastic relaxation and afterslip significantly improves the model prediction fits to the time series. The effect of re-locking, when added to afterslip and viscoelastic relaxation, is to cause the horizontal displacements to veer with time. The afterslip separated using the Postseismic Straightening method has a normalized decay time function that is in good agreement with the normalized decay time function of the aftershocks over the first 3-4 years, suggesting that the spatiotemporal relation between afterslip and aftershocks persists long into the postseismic time period. The afterslip, however, is predominantly aseismic and pulsing in nature; leading to the interpretation of afterslip pulses on a postseismically weakened plate-interface being triggered by the larger magnitude aftershocks, and with the stress release of afterslip feeding back into the shear stress forcing of the aftershock sequence. For the Pisagua- Iquique earthquake, I investigate the seismic efficiency of the preceding foreshock swarm and the source parameters of the largest foreshock that initiated this swarm. The cGPS motions leading up to the Mw 8.1 mainshock are mainly explained by seismic slip, although significant aseismic postseismic responses can be resolved for the larger earthquakes in the swarm. Similar to the interpretation of the Maule afterslip and aftershocks, I interpret the transient aseismic signals as being afterslip of the foreshocks. While promising spatial relations exist between inter-, co-, and postseismic elastic dislocation kinematics, the degrees of freedom for the slip azimuth (rake) need to be further investigated, especially for the interseismic locking models which can be very sensitive to a constrained backslip azimuth.

Die Messung von Oberflächenverschiebungen, die mit Beginn der neuen Ära satellitengestützter Geodäsie verfügbar geworden sind, haben sich als wertvolles ergänzendes Instrument neben der seismischen Überwachung aktiver Subduktionzonen bewährt. Die Möglichkeit, die jeweiligen Plattenbewegungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung genau zu bestimmen, hat viele Initiativen Modellierung untersuchen sowohl heterogene platten Schnittstelle Kinematik und Subduktionszone seismischen Zyklus Dynamik inspiriert. Die Isolierung von Platte Schnittstelle Kinematik von der Oberfläche Signal und dem robusten Modellierung der kinematischen Quelle bieten die Fallstudien, gegen die mechanischen Modelle von Erdbeben Wiederauftreten kann verglichen werden, und ist deshalb von größter Bedeutung für die langfristige Zwischengefährdungsbeurteilung eines Subduktion Marge. In dieser Dissertation präsentiere ich die Untersuchungen der Subduktionszone seismischen Zyklus platten Schnittstelle Kinematik und Dynamik des viskoelastischen Subduktionszone in Reaktion auf die Überschiebung Erdbeben. Ich vergleiche kinematische Modelle zur Seismizität, um die Heterogenität in seismischen Wirkungsgrad über den Plattenschnittstelle sowohl in der interseismischen und postseismischen Phasen des Erdbebenzyklus zu messen. Ich versuche, die verschiedenen Signale, die von gleichzeitigen postseismischen Prozessen kommen zu trennen und eine Diskussion der Uneindeutigkeit des Parameters Lösungsraum für die getrennten Signale zu erforschen und zu präsentieren. Für diese Untersuchungen verwende ich die GPS-Daten und veröffentlichte Erdbebenkataloge des Chile Maule 2010 Mw 8,8 und Pisagua-Iquique 2014 Mw 8.1 Ereignisses. Aus den Maule Untersuchungen, ist erkennbar, dass afterslip ist ein dominanter früh postseismischer Prozess ist (verfallend über 3-4 Jahre), welcher sehr gut durch die hervorragende Berichterstattung über Nahfeld-kontinuierliche GPS (cGPS) erfasst wird. Afterslip räumlich-zeitliche Merkmale sind in bestimmten Regionen gelöst und der Vergleich der afterslip zu koseismische Schlupf Bereiche der Platte-Schnittstelle, die eher mit großen Größenordnung Nachbeben scheitern zu offenbaren. Postseismische Prozesse können getrennt werden, wenn wir einige Annahmen über afterslip Verhalten anstellen: Um das simultane postseismische Signal zu separieren, habe ich das postseismische Richtverfahren entwickelt. Die Trennung berücksichtigt drei postseismische Prozesse: Platte Schnittstelle Wiederverriegelung, afterslip und viskoelastische Entspannung. Plattenwiederverriegelung ist ein traditionell vernachlässigter postseismischer Prozess, wenn es in Kombination mit viskoelastischem Entspannung modelliert und afterslip verbessert der Modellvorhersage passt in den Zeitreihen deutlich. Der Effekt der Wiederverriegelung, wenn hinzugefügt, um afterslip und viskoelastische Entspannung, ist, damit die horizontalen Verschiebungen mit der Zeit veer. Die afterslip mit der Postseismic Richtverfahren getrennt eine normierte Abklingzeit Funktion, die in guter Übereinstimmung mit der normierten Abfallzeit in Abhängigkeit von den Nachbeben in den ersten 3-4 Jahren ist, was darauf hindeutet, dass die Raumzeit-Beziehung zwischen afterslip und Nachbeben weiterhin besteht lange in der postseismischen Zeitperiode. Die afterslip ist jedoch überwiegend aseismic und pulsierenden in der Natur; die zur Interpretation der afterslip Impulse auf einer postseismisch geschwächtrn Plattenschnittstelle, die von den größeren Größenordnung Nachbeben ausgelöst und mit der Veröffentlichung von Stress afterslip Zuführung wieder in die Scherspannung zwingt der Nachbeben Folge. Für die Pisagua-Iquique Erdbeben, untersuche ich die seismische Effizienz des vorhergehenden foreshock Schwarm und die Quellparameter der größte foreshock das diesen Schwarm eingeleitet. Die cGPS Bewegungen im Vorfeld der Mw 8.1 mainshock werden hauptsächlich durch seismische Schlupf erklärt, obwohl signifikante aseismic postseismic Antworten können für die größeren Erdbeben im Schwarm gelöst werden. Ähnlich wie bei der Interpretation der Maule afterslip und Nachbeben, interpretiere ich die vorübergehende aseismic Signale als afterslip der Vorbeben. Während viel versprechende räumlichen Beziehungen zwischen internationalen, Co- und postseismic elastische Versetzungs Kinematik gibt, die Freiheitsgrade für die Schlupf Azimut (rake) müssen weiter untersucht werden, insbesondere für die interseismic Sperr Modelle, die sehr empfindlich auf eine eingeschränkte backslip sein Azimut.