Imaging the North Anatolian Fault Zone with Fault Zone Head Waves, Reflected and Converted Phases

Abstract

Complex seismograms consist of different phases, that can be generated while waveforms travel through the heterogeneous subsurface from source to receiver. Analyzing these phases can help to image and interpret the structures of the Earth’s crust within faults with special features such as bimaterial interfaces. In the first study of this thesis, I imaged the velocity contrast (bimaterial interface) along the Karadere fault of the North Anatolian Fault Zone (NAFZ), which is located at the eastern part of the 1999 Izmit Mw7.4 rupture in NW Turkey, using waveforms recorded by a local seismic network. By applying an automatic procedure for identification and picking arrival times of fault zone head waves (FZHW) and direct P waves, and manually revising the picks through particle motion analysis, two different groups of FZHW as well as fault zone reflected waves (FZRW) are identified. The first group of FZHW has a moveout with respect to the direct P arrivals with distance traveled along the fault, indicating a deep bimaterial interface down to the base of the seismogenic crust with an average velocity contrast of ~3.4%. The second group of FZHW has a constant travel-time difference with respect to the direct P wave irrespective of the distance traveled along the fault, and is associated with a shallow local interface bounding a low velocity damage zone or basin structure that extends to a depth of 4-5 km. While the first group of FZHW can only be observed on the slower crustal block, the second group of FZHW and the FZRW are present generally on both sides of the fault. These phases add to the richness and complexity of the early P waveforms observed at stations close to a large fault. The relatively low velocity contrast across the Karadere fault compared to values to the west may have helped stopping the Izmit rupture. In the second study that I performed in this thesis, waveforms of local seismicity occurring before, between, and after the two consecutive 1999 Mw > 7 ?zmit and Düzce earthquakes were analyzed. The waveforms were recorded at three seismic stations located around the Mudurnu segment of the North Anatolian Fault Zone. The main focus is on the interpretation of two distinct secondary phases contained in the P-wave coda that are well separated from the direct P wave. The phases are produced by a structure near the stations, because they are visible at all waveforms and have a constant travel-time difference to the direct P-wave arrivals irrespective of epicentral distance, hypocentral depth, or back-azimuth. Based on a polarization analysis, the major secondary phase is a PS-converted wave. Its particle motion is consistent with the particle motion of the direct S wave and displays shear-wave splitting produced by the anisotropic upper crust. The particle motion of the minor secondary phase is nearly vertical and consistent with the particle motion of the P wave. Synthetic modeling indicates that the PS phase is converted at a horizontal interface at a depth of ~4 km. The role of the steep Mudurnu fault zone as a generator of the PS reflected conversions at shallow depths is discussed. This interpretation is in agreement with the near-surface setting indicating a juvenile pull-apart structure along the Mudurnu fault and fits well into the eastward progressing transtensional tectonic setting known for the region. The results of the two studies performed in this thesis show the potential of phases (FZHW, reflected and/or converted phases) to image near fault structures. In particular, it was shown that techniques applied allowed to image the Karadere fault and the near- vertical Mudurnu fault along the NAFZ in NW Turkey. The results imply that such studies serve to analyze near-fault recordings and to determine potential hazard-prone faults, thereby contributing to a better constrain of future rupture planes and associated seismic hazard and risk.

Komplexe Seismogramme bestehen aus verschiedenen Phasen, die während der Ausbreitung von elastischen Wellen durch den heterogenen Untergrund von Quelle zu Empfänger erzeugt werden können. Die Analyse dieser Phasen kann dazu beitragen, die Geometrie und Geschwindigkeitsstruktur der Erdkruste oder von Verwerfungen zu identifizieren. In der ersten Studie dieser Dissertation untersuche ich den die Geometrie und einen Geschwindigkeitskontrast entlang des Karadere-Segments der Nordanatolischen Verwerfungszone (NAFZ). Das Karadere-Segment befindet sich innerhalb der Izmit-Düzce-Bruchzone östlich von Istanbul, zwischen den Epizentren der Izmit- und Düzce-Beben von 1999 im Nordwesten der Türkei. Es wurden entlang der Verwerfungszone geführte Wellen (Fault Zone Head Waves; Abkürzung: FZHW) und P-Wellen untersucht. FZHW, P-Wellen und deren Ankunftszeiten wurden automatisch detektiert und gepickt. Anschließend wurden die automatischen Detektionen der FZHW- und P-Wellen unter Einsatz einer Polarisationsanalyse manuell überprüft. Hierbei wurden erstmals zwei verschiedene Gruppen von FZHW, sowie eine Gruppe von an der Verwerfungszone reflektierten Wellen (Fault Zone Reflected Waves; Abkürzung: FZRW) identifiziert: Die erste Gruppe von FZHW weist einen Moveout auf, also einen mit der Epizentralentfernung wachsenden Laufzeitunterschied zwischen FZHW und P-Welle. Dies weist auf einen Geschwindigkeitskontrast von ~3,4% in der seismogenen Tiefe des Karadere-Segments hin. Bei der zweiten Gruppe von FZHW bleibt der Laufzeitunterschied zwischen FZHW und P-Welle mit zunehmender Entfernung zur Störung konstant, wobei FZHW an Stationen zu beiden Seiten der Verwerfung beobachtet wurden. Dieser Typ FZHW wurde hier erstmals beobachtet weist auf ein sich entwickelndes Pull-Apart-Sedimentbecken in Form einer oberflächennahen lokalen Niedriggeschwindigkeitszone hin, die sich bis in eine Tiefe von 4-5 km erstreckt. Die genannten Phasen tragen zur Komplexität von P-Wellenformen bei, die nahe einer Verwerfung aufgezeichnet werden, und enthalten wertvolle Informationen über die Struktur aktiver Verwerfungszonen. Der relativ niedrige Geschwindigkeitskontrast am Karadere-Segment im Vergleich zum Geschwindigkeitskontrast westlich des Karadere-Segments könnte die Bruchausbreitung vom Izmit-Beben gestoppt haben und beinhaltet somit wichtige Informationen zur Diskussion, was Erdbeben stoppen lässt. In der zweiten Studie wurden Wellenformen lokaler Seismizität aus dem Zeitraum vor, zwischen und nach den zwei aufeinanderfolgenden von 1999 Mw > 7 ?zmit- und Düzce- Erdbeben analysiert. Die Wellenformen wurden an drei seismischen Stationen entlang des Mudurnu-Segments der NAFZ aufgezeichnet. Es wurden zwei konsistente Sekundärphasen identifiziert und analysiert, die in ausreichend zeitlichem Abstand von der direkten P-Welle in der P-Wellen-Coda enthalten sind, um sie im Detail studieren zu können. Diese Phasen wurden durch eine Struktur in der Nähe der Stationen erzeugt. Diese Schlussfolgerung ergibt sich, weil die Phasen bei allen Wellenformen sichtbar sind und unabhängig von der Epizentralentfernung, Hypozentraltiefe und Backazimuth einen konstanten Laufzeitunterschied zur direkten P-Welle haben. Ergebnisse der Polarisationsanalyse weisen darauf hin, dass die prominentere Sekundärphase eine PS-konvertierte Welle (PS-Phase) ist. Die Richtung ihrer Polarisation stimmt mit der der direkten S-Welle überein und zeigt Shear-Wave-Splitting, welches durch die anisotrope obere Kruste erzeugt wird. Die Polarisationsrichtung der anderen Sekundärphase ist nahezu vertikal und konsistent mit der Polarisationsrichtung der P-Welle. Synthetische Modellierungen zeigen, dass die PS-Phase an einer horizontalen Grenzfläche in einer Tiefe von ~ 4 km konvertiert wird. Die Studie geht außerdem der Frage nach, ob die PS-reflektierten Wellen in flachen Tiefen an der steilen Mudurnu- Verwerfung entstehen. Diese Interpretation ist in Übereinstimmung mit den oberflächennahen Strukturen einer Pull-Apart-Struktur im Anfangsstadium entlang des Mudurnu-Verwerfungssegmentes und weist auf das sich nach Osten ausbreitende transtensionale tektonische System hin, welches für diese Region bekannt ist. Die Ergebnisse der beiden Studien zeigen das Potenzial der detaillierten Analyse von Phasen wie FZHW, reflektierten und konvertierten Wellenzügen in Seismogrammen lokaler Seismizität für die Untersuchungen von seismisch aktiven Störungen. Insbesondere wurde durch die hier angewandten Techniken gezeigt, dass die Beschaffenheit der Karadere-Verwerfung und die nahezu vertikale Mudurnu-Verwerfung im Nordwesten der Türkei rein passiv abgebildet und ihre aktuelle tektonische Entwicklung daraus abgeleitet werden können. Die Ergebnisse implizieren, dass diese Studien dazu dienen können, potenzielle gefährdungsrelevante Segmente der NAFZ zu ermitteln und somit zukünftige Rupturzonen und das damit verbundene seismische Gefährdungspotenzial im Vorfeld von Starkbeben besser zu charakterisieren.