Characterization of the subduction zone seismic cycle of the Northern Chile-Southern Peru seismic gap region: analysing and modelling GPS and InSAR data of the 2014 Mw 8.1 Iquique-Pisagua earthquake

Abstract

Modern geodetic measurements have extraordinarily broadened our knowledge about plate tectonic kinematics by providing spatially and temporally dense crustal deformation constraints. Those measurements are particularily important for understanding tectonic processes at the Earth´s subduction zones that have been generating most devastating seismic events and tsunamis since the beginning of historical records. The hazard assessment of an active convergent margin mostly relies on geologic archive data as input for the earthquake recurrence concept that can be highly improved by robust kinematic models relating in-situ ground surface measurements to plate interface slip motion. In my thesis, I present an extensive analysis of crustal deformation variations during a subduction zone earthquake cycle in Northern Chile and hence contribute to the refinement of the subduction zone seismic cycle concept. I use GPS and InSAR measurements to constrain the purely tectonic signal and integrate a joint slip inversion model approach at the inter-, co- and postseismic stage of the mature Northern Chile-Southern Peru seismic gap. The characterization of crustal deformation is based on the case-study of the recent Mw 8.1 Iquique-Pisagua earthquake that ruptured the central part of the seismic gap on 1st April 2014. I compare interseismic ground motion rates of a dense continuous and survey-mode GPS network including a time-series of more than ten years with postseismic deformation rates two years after this megathrust event. Moreover, I generate an updated interseismic coupling map of the Northern Chilean subduction zone and present afterslip at different stages of the postseismic period. The joint inversion of InSAR data from two different satellites (Radarsat-2 and TerraSAR-X) and GPS measurements yields different coseismic slip models of the mainshock and separately of the largest aftershock two days later. The Iquique-Pisagua earthquake ruptured a highly coupled patch of the subduction zone interface (Camarones segment). Presented coseismic slip models range at the lower magnitudinal level of published models, are less compact in their geometry and stop at the Iquique Low coupling zone at 21° S. Afterslip is also limited southwards interpreted as impediment through a seismotectonic barrier at this latitudinal range. Postseismic deformation lasts for about two years before relocking rates are equal to interseismic ground motion velocity. Causal factors for the barrier that may behaves as seismotectonic segment limitation involve crustal (forearc) strength heterogeneities, interface coupling discontinuities potentially triggered by variations in seafloor roughness and differences in the subducting plate geometry. GPS observations south of the inferred seismotectonic barrier reveal a deformation rate increase in the second year after the earthquake. Afterslip models suggest a down-dip coupling increase as main driver for the rate increase, perhaps bringing the highly coupled southern Loa segment closer to failure. A megathrust event in Northern Chile was expected for more than thirty years based on slip deficit analysis and recurrence estimations. The fact that the Iquique-Pisagua earthquake 2014 did not rupture the entire Northern Chile- Southern Peru seismic gap like the last big event in 1877 (Mw 8.6 Iquique earthquake) is due to (1) tectonic pre-conditions that lowered the slip deficit as aseismic slow slip events and/or partial unlocking induced by seismic triggering of a foreshock sequence preceding the mainshock and (2) time-dependent, changing interface coupling conditions that may also change seismotectonic segment limitations over time. The Iquique-Pisagua event was not characteristic in the sense of the 1877 Mw 8.6 Iquique earthquake, but maybe for another smaller magnitudinal category of megathrust events that rupture more freuquently. The Northern Chile case-studie clearly demonstrates that subduction zone earthquakes are not only dependent on the slip deficit, but also on limitations of seismotectonic segments and tectonic pre-conditions as interface coupling variations. Thus, subduction zone earthquakes do not necessarily show same rupture characteristics over time. Taken together, the results of my thesis reveal (1) the interaction between different areas undergoing stress release and stress build-up in a major seismic gap, (2) constraints for the temporal variation of coupling degree and interface slip at different stages of the seismic cycle and (3) the influence of large earthquakes at adjacent segments at a subduction zone location and inferred implications for future seismic risk assessment.

Moderne geodätische Messmethoden ermöglichen einen tiefen Einblick in räumlich und zeitlich hochauflösende krustale Deformationsprozesse und haben damit unser Wissen um kinematische Prozesse der Plattentektonik signifikant erweitert. Die Messmethoden sind vor allem wichtig, um tektonische Prozesse an den weltweiten Subduktionszonen zu studieren, an welchen seit Beginn historischer Aufzeichnungen die verheerendsten Erdbeben und Tsunamis entstehen. Die Gefährdungsanalyse eines aktiven, konvergenten Kontinentalrandes basiert zu großen Teilen auf geologischen Archivdaten als Basis des Konzepts für das periodische Wiederauftreten von Erdbeben, welches durch die robuste kinematische Inversion krustaler Deformation auf Bewegungen auf der Platten-Störungsfläche erheblich verbessert werden kann. In meiner Dissertation zeige ich umfangreiche Analysen krustaler Deformation und deren Variationen während eines kompletten Erdbebenzyklus in Nord-Chile und trage damit Wesentlich zur Verbesserung des Konzeptes des seismischen Subduktionszyklus bei. Ich nutze GPS und InSAR Messungen, um das tektonische Signal zu extrahieren und erstelle jeweils ein Inversionsmodell zur inter- co- und postseismischen Deformation in der tektonisch überfälligen nord-chilenischen-süd-peruanischen seismischen Lücke. Die Charakterisierung krustaler Deformation basiert auf der Fallstudie des aktuellen Mw 8.1 Iquique-Pisagua Erdbebens, welches den zentralen Teil der seismischen Lücke am 1. April 2014 brach. Ich vergleiche interseismische Bodenbewegungsraten eines dichten Netzwerkes aus kontinuierlichen und Kampagne- GPS Stationen von mehr als 10 Jahren mit postseismischen Deformationsraten von bis zu zwei Jahren nach dem Subduktionsbeben. Darüberhinaus generiere ich eine interseismische Plattenkopplungskarte der nord-chilenischen Subduktionszone und zeige Afterslip zu verschiedenen Zeiträumen der postseismischen Phase. Als Ergebnis der Inversion von InSAR-Daten zweier verschiedener Satelliten (Radarsat-2 und TerraSAR-X) mit GPS-Messungen präsentiere ich zwei verschiedene Slip-Modelle des Hauptbebens und separiert davon des größten Nachbebens zwei Tage später. Das Iquique-Pisagua Erdbeben brach einen hochgradig gekoppelten Bereich der Störungszone der subduzierenden Platte (im Camarones Segment). Meine co-seismischen Slip-Modelle sind eher am unteren Ende der Größenordnung bereits publizierter Modelle einzuordnen, zeigen eine weniger kompakte Geometrie und stoppten im Bereich eines sehr niedrig gekoppelten Plattenareals (Iquique-Low-coupling zone) bei 21° S. Afterslip ist nach Süden begrenzt, was als seismische Barriere in dieser geographischen Breite interpretiert wird. Die Phase postseismischer Deformation dauert etwa zwei Jahre an, bevor tektonische Bewegungsraten wieder mit den interseismischen Boden-Geschwindigkeiten vergleichbar sind. Die Entstehung einer solchen Barriere, welche möglicherweise als seismotektonische Segmentgrenze dient, geht zurück auf Festigkeitsunterschiede der Erdkruste, Kopplungs-Diskontinuitäten auf der Platten-Störungsfläche, verursacht durch Bathymetrieundulationen uund Geometrievariationen der subduzierenden Platte. GPS Messungen südlich der seismotektonischen Barriere zeigen einen Geschwindigkeitsanstieg innerhalb des zweiten Jahres nach dem Erdbeben. Afterslip-Modelle suggerieren, dass ein Anstieg der Plattenkopplung hauptverantwortlich ist für diesen Geschwindigkeitsanstieg, welcher das hochgekoppelte, südliche Loa Segment näher an einen Bruch der Platten-Störungszone bringt. Analysen eines Slip-Defizits und Abschätzungen des Erdbebenwiederkehrintervals ließen ein Subduktionsbeben in Nord-Chile seit mehr als 30 Jahren erwarten. Der Grund, dass das Iquique-Pisagua Erdbeben nicht die gesamte nordchilenische-südperuanische seismische Lücke gebrochen hat, wie es zuletzt 1877 beim Mw 8.6 Iquique-Beben geschehen ist, liegt in (1) den tektonischen Vorbedingungen und damit der Reduktion des Slip-Defizites durch ein aseismisches, langsames „stilles Erdbeben“ bzw. einer dem Hauptbeben vorangegangenen seismischen Vorschock-Sequenz, die eine partielle Platten-Entkopplung induzierte und (2) zeitlich variierende Konditionen der Kopplung an der Platten-Störungsfläche, die möglicherweise auch eine Verschiebung seismotektonischer Segmentgrenzen initiieren. Das Iquique-Pisagua Erdbeben war nicht charakteristisch in Bezug auf das Mw 8.6 Iquqiue Erdbeben von 1877, aber eventuell in Bezug auf eine andere Kategorie von kleineren Subduktionsbeben mit einer höheren Bruchfrequenz. Diese Fallstudie aus Nord-Chile beweist, dass Subduktionsbeben nicht ausschließlich abhängig vom Slip-Defizit sind, sondern auch von seismotektonischen Segmentgrenzen und tektonischen Vorbedingungen wie Kopplungsunterschieden. Daher zeigen Subduktionsbeben nicht unbedingt die selben Bruchcharakteristika über die Zeit. Zusammengefasst zeigen die Resultate meiner Dissertation (1) die Interaktion verschiedener Plattenareale, die Stressabbau und –aufbau in einer großen seismischen Lücke erfahren, (2) zeitliche Variation des Plattenkopplungsgrades und des Slips auf der Platten-Störungszone in verschiedenen Phasen des seismischen Zyklus und (3) den Einfluss eines großen Erdbebens auf benachbarte Segmente an einer Subduktionszone und daraus abgeleitete Implikationen zur seismische Gefährdungsanalyse.