Adapting the magnetotelluric (MT) method for monitoring the dynamic behaviour of the Andean subduction system in Northern Chile is focus of this thesis. Electromagnetic fields, sampled at nine permanent MT stations which cover an area of approximately 250 x 100 km² in the Andean fore-arc, are evaluated to monitor the electrical resistivity structure associated with the deep hydraulic system of the subduction zone. The long term monitoring of geo- electromagnetic fields reveals different types of temporal variations of vertical magnetic transfer functions (VTF) in different period ranges which are evaluated and interpreted. Computation of time series of daily VTFs of an overall length of 4 years exhibit seasonal variations with amplitudes of more than 100% of their absolute values for different components at all sites of the array. The observed seasonal variation affects almost exclusively the east-west magnetic field component for periods between 100 and 3000 seconds. These ground-based measurements of magnetic and electric fields exhibit statistically significant coherences with the interplanetary electric field (IEF) derived from solar wind and interplanetary magnetic field data of the Advanced Composition Explorer (ACE) satellite. The IEF penetrates the polar ionosphere from where it propagates towards equatorial latitudes by wave guide transmission, with ionosphere and solid Earth acting as conducting boundaries. Signal coherence between IEF and ground data peaks at periods of approximately 90 min and up to the four harmonics. Coherence values reach 0.4 at these periods and depend on the electromagnetic field component. They vary with season and local time. Transfer functions computed between IEF and ground- based electric and magnetic fields show local maxima at similar periods (90 min and harmonics). The coupling between the east-west magnetic field component and the IEF shows significant seasonal variability, much larger than for the other electromagnetic field components. We conclude that the IEF drives primarily a global circuit of Pedersen currents in the ionosphere. Resulting time-varying magnetic fields induce electric currents in the ground. Related ground-based magnetic (primarily north-south) and electric (primarily east-west) signals vary coherently at all local times and seasons. Conversely, magnetic signals caused by the IEF-driven Hall currents depend much on local time and season. We show for the first time that these ionospheric Hall currents cause no induction in the ground, but they generate magnetic signatures that are confined to the waveguide between ionosphere and Earth's surface. Geo-electromagnetic depth sounding applications as MT assume both spatial and temporal uniform external electromagnetic source fields. The seasonal variation of VTFs exhibits a systematic violation of this basic assumption in Northern Chile. The consequence is a systematic seasonal rotation and length variation of the induction arrows of the period band between 100 and 3000 seconds. If not taken into account, the structure of an electrical resistivity model of the subsurface, obtained by MT inversion, would be distorted. Removing this source field effect with a low-pass filter allows evaluation of residual variations of the VTF time-series which last longer than one year. During 2008 and 2009, I observe a significant variation of the VTFs in the southern part of the network for periods between 1500 and 4000 seconds. To simulate this variation, a 3D reference resistivity model is obtained by inversion of MT and VTF data using eight stations of the network. A region of high conductivity matches spatially with the hydrated mantle wedge. By trial and error, the 3D reference image of the deep electrical resistivity structure is modified and 3D forward modelling is applied to explain temporal variations in the VTFs similar to our observations. That requires modification of the electrical resistivity structure in a region which coincides roughly with the plate interface directly down-dip of the Mw7.7 2007 Tocopilla earthquake. We speculate that the anomalous temporal variations of the VTFs may be caused by large scale fluid relocation in the aftermath of the seismic event.
Die Anpassung der magnetotellurischen Methode (MT) zum Monitoring des dynamischen Verhaltens der Subduktionszone der Anden ist Fokus dieser Doktorarbeit. Dafür werden an neun permanenten MT Stationen, die ein Gebiet von ca. 250 x 100 km² im Forearc-Bereich der Anden abdecken, elektromagnetische Felder abgetastet. Die Auswertung dieser Daten soll zur Überwachung des elektrischen Widerstandes dienen, welcher mit dem hydraulischen System der Subduktionszone in der Tiefe zusammenhängt. Die Langzeitaufzeichnung geo-elektromagnetischer Felder offenbart verschiedene Arten zeitlicher Variationen vertikaler magnetischer Übertragungsfunktionen (VTF) in unterschiedlichen Periodenbereichen, welche ausgewertet und interpretiert werden. Die Berechnung täglicher VTFs und ihre Zusammenfassung zu Zeitreihen einer Gesamtlänge von 4 Jahren zeigen jahreszeitliche Variationen mit Amplituden von mehr als 100% der Absolutbeträge in verschiedenen Komponenten an allen Stationen des Arrays an. Die beobachteten jahreszeitlichen Variationen betreffen fast ausschliesslich die Ost-West Komponente des Magnetfelds für Periodenlängen zwischen 100 und 3000 Sekunden. Die bodengestützten Messungen von magnetischen und elektrischen Feldern zeigen statistisch signifikante Kohärenzen mit dem interplanetaren elektrischen Feld (IEF), das aus Sonnenwind- und interplanetaren Magnetfelddaten des Advanced Compositon Explorer (ACE) Satelliten berechnet wird. Das IEF dringt in die polare Ionosphäre ein, von wo es sich in einem Wellenleiter, dessen leitfähige Begrenzungen von der Ionosphäre und der Erdoberfläche gebildet werden, hin zu äquatorialen Breiten fortpflanzt. Die Signalkohärenz zwischen IEF- und bodengestützten Daten ist maximal für Periodenlängen von ca. 90 min und bis zur vierten Harmonischen. Bei diesen Perioden reichen die Kohärenzwerte bis zu 0.4, hängen aber von der elektromagnetischen Feldkomponente ab. Sie variieren jahreszeitlich und mit der Ortszeit. Übertragungsfunktionen zwischen IEF und bodengestützten elektrischen und magnetischen Feldern zeigen lokale Maxima bei ähnlichen Periodenlängen (90 min und Harmonische). Die Kopplung zwischen der Ost-West Komponente des Magnetfeldes und IEF offenbart signifikante jahreszeitliche Veränderung, die viel grösser als für die anderen elektromagnetischen Feldkomponenten ist. Wir schliessen daraus, dass der IEF hauptsächlich ein globales System von Pedersen-Strömen in der Ionosphäre erzeugt. Die resultierenden zeitveränderlichen Magnetfelder induzieren elektrische Ströme im Boden. Die zugehörigen bodengestützten magnetischen (hauptsächlich Nord-Süd) und elektrischen (hauptsächlich Ost-West) Signale variieren kohärent zu allen Lokalzeiten und mit der Jahreszeit. Umgekehrt hängen die magnetischen Signale, welche durch vom IEF erzeugte Hall-Ströme verursacht werden, sehr stark von der Lokalzeit und der Jahreszeit ab. Wir zeigen erstmals, dass diese ionosphärischen Hall-Ströme keine Induktion im Untergrund verursachen, jedoch magnetische Signaturen erzeugen, die auf den Wellenleiter zwischen Ionosphäre und Erdoberfläche beschränkt sind. Geo- elektromagnetische Tiefensondierungsmethoden wie MT setzen über die Zeit räumlich gleichförmige externe elektromagnetische Quellfelder voraus. Die jahreszeitliche Variation der VTFs zeigt eine systematische Verletzung dieser Grundannahme in Nord-Chile an. Die Konsequenz ist eine systematische jahreszeitliche Rotation und Längenänderung der Induktonspfeile im Periodenband zwischen 100 und 3000 Sekunden. Wird dies nicht berücksichtigt, kommt es zu einer Verzerrung der Struktur eines elektrischen Widerstandsmodells des Erdinneren, welches durch Inversionsrechnung gewonnen wird. Die Beseitigung des Quellfeldeffektes durch einen Tiefpassfilter ermöglicht die Auswertung verbleibender Variationen in den VTF Zeitreihen, welche länger als ein Jahr andauern. In den Jahren 2008 und 2009 beobachte ich eine signifikante Variation der VTFs im südlichen Teil des Netzwerkes für Periodenlängen zwischen 1500 und 4000 Sekunden. Um diese Variation zu simulieren, wird mit 3D Inversion der MT und VTF Daten von acht der Netzwerkstationen ein 3D Referenzmodell des elektrischen Widerstandes berechnet. Eine Region mit hoher elektrischer Leitfähigkeit stimmt dabei räumlich mit dem hydratisierten Mantelkeil überein. Mit der Trial-and-Error- Methode wird das 3D Referenzmodell der tiefen elektrischen Leitfähigkeitsstruktur verändert und Vorwärtsrechnungen durchgeführt, um Variationen der VTFs, ähnlich den Beobachteten, zu erklären. Dies erfordert die Modifizierung der elektrischen Widerstandsstruktur in einer Region, welche grob mit der Grenzschicht der tektonischen Platten direkt unterhalb des Hypozentrums des Mw7.7 Tocopilla Erdbebens übereinstimmt. Wir spekulieren, dass die anomale zeitliche Variation der VTFs wahrscheinlich durch grossvolumige Fluidverlagerungen in der Folge des seismischen Ereignisses verursacht wurde.
