Large-scale distribution of fluids in the subduction zone of Northern Chile – constraints from magnetotelluric monitoring

Abstract

This thesis presents studies which address the regional-scale distribution of fluids during the seismic cycle in the subduction zone of Northern Chile. To infer the distribution of fluids, this work investigated the regional-scale electrical resistivity structure of the subduction zone. The resistivity structure was imaged and monitored using the magnetotelluric (MT) geophysical method. The analysed MT data were collected at nine permanent sites of the Integrated Plate Boundary Observatory Chile (IPOC) located along the forearc region in Northern Chile (21°-23.5°S, 69°-70°W). The regional-scale resistivity structure was derived by modelling long-period MT data using 3-D inversion approach. This model exhibits a complex resistivity structure, suggesting significant spatial variability in the fluid content at different regions of the subduction zone. The model shows that the continental South American plate within the forearc region is mainly characterized by high resistivities (>1000 Ωm) between the coast and 69°W. The model shows additionally a number of regional low resistivity zones (LRZs, <10 Ωm) within the continental crust. Long-active fault zones and clusters of seismicity are observed within these LRZs, suggesting that these resistivity anomalies are relatively weak and permeable regions of the continental crust, where deformation processes and circulation of fluids have been focused over geologic time. Some of these LRZs reach the continental lower crust above the intraplate seismogenic zone, coinciding spatially with boundaries of the rupture area of large earthquakes and regional NW-SE structural lineaments. In the forearc mantle wedge the model exhibits a 150 km-long trench-parallel LRZ above the intermediate-depth seismogenic zone, suggesting significant along- strike variability in the amount of fluids released from the oceanic Nazca plate. The temporal evolution of the resistivity structure was monitored by analysing the IPOC MT data during 2007-2014. This analysis reveals anomalous temporal variations of the vertical magnetic transfer function (VTF) at one IPOC site. These anomalous variations were reproduced by modelling a decrease in resistivity within a seismically active region of the continental crust located above the interplate seismogenic zone. The spatiotemporal distribution of seismicity suggests that the inferred changes in resistivity were associated with episodes of upward migration of fluids generated at the plate interface. The sensitivity of MT data to changes in the resistivity structure and in the geomagnetic activity was evaluated. Possible regional-scale resistivity changes above the interplate seismogenic zone were simulated, obtaining that they can generate measurable variations in MT responses (TFs) recorded at the IPOC sites. However, the modelled variations in IPOC TFs can be masked by unwanted effects correlated with changes in magnetic fields generated in the atmosphere (source effects). The analysis of 18 years of geomagnetic data recorded at mid-latitude sites reveals that globally the VTF exhibits patterns related to source effects. Main patterns identified were periodical seasonal variations and a long-term trend correlated with the 11-year solar cycle. Such source effects can be identified as patterns observed synchronously in temporal variations of VTFs recorded at neighbouring sites, and which additionally show significant correlation with fluctuations of the geomagnetic activity.

In der vorliegenden Dissertation untersuche ich die großräumige Verteilung von Fluiden in der Subduktionszone im Norden Chiles sowie deren räumliche und zeitliche Variation und Verbindung zu tektonischen Prozessen. Dazu wird eine Analyse langperiodischer magnetotellurischer (MT) Daten durchgeführt und zur Abbildung und zum Monitoring der elektrischen Widerstandsstrukturen genutzt. Die MT-Daten wurden an neun permanenten Stationen des Intergrated Plate Boundary Observatory Chile Array (IPOC) vermessen, das sich im Forearc-Bereich (21°-23.5°S, 69°-70°W) befindet. Ein dreidimensionales Modell des elektrischen Widerstands der Subduktionszone wurde durch Inversion von MT-Daten gewonnen. Dieses Modell zeigt, dass die kontinentale südamerikanische Platte unter dem Forearc-Bereich zwischen der Küste und 69°W im Wesentlichen aus Gesteinen mit hohem Widerstand (>1000 Ωm) besteht. In der kontinentalen Kruste wurden elektrische Leiter (<10 Ωm) abgebildet. In Gebieten wo Sedimentbecken, seismische Aktivität, große orogenparallele Störungssysteme und regionale NW- SE-streichenden Lineamente sich finden, erreichen einige dieser Leiter die kontinentale untere Kruste. Deshalb interpretiere ich diese Leiter als Orte anomal schwacher und permeabler kontinentaler Erdkruste, wo über geologische Zeiträume Deformationprozesse und Fluidtransport stattgefunden haben. Im Mantelkeil zeigt das Modell einen 150 km langen N-S-verlaufenden Leiter, welcher signifikante Unterschiede bei den freigesetzten Fluidmengen in der ozeanischen Nazca-Platte entlang des Streichens der Subduktionsstruktur anzeigen. Zum Monitoring des elektrischen Widerstands der Subduktionszone wurden MT-Daten von 2007 bis 2014 analysiert. Anomale Variationen der vertikalen magnetischen Übertragungsfunktion (VTF) wurden an einer Station beobachtet. Um diese Anomalien anzupassen, wurden Änderungen der elektrischen Widerstandstruktur im Modell mittels 3D-Vortwärtsmodellierung simuliert. Diese Modellstudie zeigt, dass eine Verminderung des Widerstands in 5-25 km Tiefe unter dem Salar Grande die Anomalie erklären kann. Die Verteilung der seismischen Aktivität in diesem Gebiet stützt die These, dass die Änderung der elektrischen Widerstandsverteilung von Fluiden verursacht wird. Mit Hilfe der Sensitivitätsstudien wurde getestet, wie sich Änderungen der elektrischen Widerstandsverteilung auf die magnetotellurischen Übertragungsfunktionen auswirken. So konnte mittels 3D-Vorwärtsmodellierung gezeigt werden, dass Widerstandsänderungen oberhalb der seismischen Zone an der Plattengrenzfläche einen messbaren Effekt auf die MT Übertragungsfunktionen haben. Die gemessene Amplitudenänderung hatte allerdings die gleiche Größenordnung wie Amplitudenänderungen aufgrund geomagnetischer Aktivität (Quelleffekte). Um die Quelleffekte besser zu verstehen, wurden daher geomagnetische Daten von 18 Jahren analysiert, die weltweit an Stationen mittlerer Breitengrade aufgenommen worden sind. Dabei konnten bei allen Stationen Quelleffekte in den VTF beobachtet werden, insbesondere die jahreszeitliche Variationen und ein Trend, der mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus korreliert. Diese Quelleffekte kann man durch Vergleich der Daten von benachbarten Stationen erkennen. Variationen in den VTF, die gleichzeitig an benachbarten Stationen beobachten werden und mit der magnetischen Aktivität korrelieren, sind wahrscheinlich Quelleffekte.