Spatiotemporal variations of the local stress field and fault asperities at the North Anatolian Fault in NW Turkey analysed based on microseismic recordings

Abstract

Variations of the local stress field might serve as an indicator to characterize the physical status of individual fault segments during the seismic cycle. In this study spatial and temporal variation of the crustal stress field orientations along the North Anatolian Fault Zone (NAFZ) in northwestern Turkey are investigated. The NAFZ is one of the largest currently active strike-slip fault in the world. In 1996 a permanent seismic network, the SApanca BOlu NETwork (SABONET) was deployed to investigate the seismic activity at the Karadere- and Düzce Fault. This region represents the eastern end of a westward migrating earthquake sequence starting in 1939 in eastern Turkey. In 1999 the two most recent major earthquakes, the Izmit- and Düzce events, occurred. In this study a compilation of 939 focal mechanisms and the dataset of more than 10000 well located local earthquakes from the SABONET and German Task Force (GTF) network covering the time period 1997-2001 are processed and analysed. Covering the pre-seismic, inter Izmit- Düzce and post- seismic phase of the Izmit earthquake this dataset provides a fundamental data base to search for systematic stress rotations related to major earthquakes at a major transform fault. Different stress tensor inversion methods were applied using focal mechanism data and first motion polarities as input to study spatiotemporal changes of the stress field orientation along individual fault segments of the 1999 Izmit and Düzce ruptures. Results indicate a stable strike slip regime for the regional stress field prior to the Izmit earthquake and following the two-month Izmit aftershock sequence. In contrast the early aftershock period is dominated by EW-extension below the Akyazi Plain. During the two-month aftershock period significant changes from strike-slip to normal-faulting during the mainshock followed by a systematic back-rotation to the pre-mainshock stress regime is found. This back rotation commences first in the Akyazi Plain hosting a coseismic slip deficit of > 3 m and propagates then further to the east towards the Karadere and Düzce fault where the Düzce Mw7.1 mainshock nucleated 87 days later. The followed detailed analysis of the lateral variations of the stress field within distinct smaller segments along the fault confirms these observations and leads to suggestions regarding the origin of the stress perturbations. Thereby, the stress field evolution of the segments can be followed from the predominantly pre-seismic strike-slip regime in the west, the inter Izmit-Düzce phase of the dominant E-W extensional regime in the Akyazi plain to the nearly stable post-seismic strike-slip regime along the Düzce and Elmalik faults. These observations and the correlations with co- and postseismic slip confirm the suggestion that shear failure and the associated drop in shear stress during large earthquakes may result in a rotation of the principal stresses. Finally, these observations are used to investigate local depth distribution and kinematics of seismicity along the fault and the determination of possibly locked or creeping parts of a fault. A clear correlation between along-fault variations of the depth- distribution of aftershock activity and cumulative co- and postseismic slip below the seismogenic layer is observed. In addition, local shallow earthquakes below the Düzce fault are analysed and give new insights into the evolution of this part of the rupture. The results from this study reveal that spatiotemporal stress field rotations are a useful indicator for variations of the seismotectonic setting during the seismic cycle.

Variationen des lokalen Spannungsfeldes können als Indikator dienen, um den physikalischen Zustand einzelner Segmente einer Verwerfungszone während des seismischen Zyklus zu charakterisieren. In dieser Studie werden räumliche und zeitliche Veränderungen des Spannungsfeldes der Erdkruste entlang der Nordanatolischen Verwerfungszone (NAFZ) im Nordwesten der Türkei untersucht. Die NAFZ ist eine der größten derzeit aktiven Transformstörungen der Welt. Im Jahr 1996 wurde ein permanentes seismisches Netzwerk, das SApanca BOlu NETzwerk (SABONET) in Betrieb genommen, um die seismische Aktivität entlang der Karadere und Düzce Verwerfung zu untersuchen. Diese Region stellt das östliche Ende einer seit 1939 nach Westen wandernden Erdbeben-Sequenz im Osten der Türkei dar. Zwei starke Erdbeben im August und November des Jahres 1999, das Izmit und Düzce Erdbeben, stellen die jüngsten Erdbeben dieser Sequenz dar. Grundlage dieser Studie bildet ein zusammengestellter Katalog aus 939 Herdflächenlösungen und seismische Daten von mehr als 10000 lokalsierten Erdbeben des SABO-Netzwerkes und German Task Force (GTF) Netzwerkes für die Jahre 1997-2001 welche prozessiert und analysiert wurden. Dieser Datensatz bietet eine umfassende Datenbasis für die Zeiträume vor (Pre-seismic), zwischen (Inter Izmit-Düzce) und nach (Post-seismic) den Izmit und Düzce Erdbeben und stellt damit eine einzigartige Möglichkeit dar, systematische raumzeitliche Änderungen des Spannungsfeldes im Zusammenhang mit groÿen Erdbeben entlang von Verwerfungszonen zu untersuchen. Verschiedene Spannungstensor-Inversionsverfahren basierend auf der Inversion von Herdflächenlösungen und Polaritäten von Ersteinsätzen werden verwendet, um räumliche, sowie zeitliche Veränderungen des Spannungsfeldes entlang einzelner Segmente des 1999 Izmit Bruches zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen ein stabiles Blattverschiebungs-Regime für das regionale Spannungsfeld vor dem Izmit Erdbeben und für den Zeitraum nach dem Düzce Erdbeben. Im Gegensatz dazu, ist die Inter Izmit-Düzce Phase geprägt durch Nachbeben mit Abschiebungsmechanismen. Diese werden durch die andauernde Ost-West-Extension in der Akyazi Ebene hervorgerufen. Innerhalb der frühen zweimonatigen Nachbebenfrequenz des Izmitbebens lässt sich zum ersten Mal die signifikante Änderung von dem Blattverschiebungs-Regime zum Abschiebungs-Regime, gefolgt von einer langsamen Rückrotation des Spannungsfeldes in den ursprünglichen Zustand des Blattverschiebungs-Regime, beobachten. Diese Rückrotation beginnt zunächst in der Akyazi Ebene, welche durch ein Defizit in der Co-seismischen relativen Verschiebung (coseismic slip) von > 3 m geprägt ist und propagiert dann weiter nach Osten in Richtung der Karadere und Düzce Verwerfungszone. Dort fand die Nukleation des Düzce MW 7,1 Erdbeben 87 Tage nach dem Izmitbeben statt. Anhand der detaillierten Untersuchung der lateralen Veränderungen des Spannungsfeldes, innerhalb verschiedener kleinerer Segmente entlang der Verwerfung, lassen sich diese Beobachtungen bestätigen und detailierte Aussagen über den Ursprung treffen. Dabei kann die Entwicklung des Spannungsfeldes von dem dominierten Pre-seismischen Blattverschiebungs-Regime im Westen, dem Interseismischen E-W extensionalen Abschiebungs-Regime in der Akyazi Ebene zu dem nahezu stabilen Post-seismischen Blattverschiebungs-Regime entlang der Düzce und Elmalik Verwerfungen verfolgt werden. Diese Beobachtungen und die Korrelationen mit Co- und Postseismischen relativen Verschiebungen bestätigen die Annahme, dass Scherbrüche und der damit verbundene Abbau der Scherspannung bei groÿen Erdbeben zu einer Drehung der Hauptspannungachsen führen kann. Schließlich werden diese Beobachtungen mit der Tiefenverteilung und der Kinematik der lokalen Seismizität entlang der Verwerfung in Verbindung gebracht, anhand derer blockierte oder kriechende Bereiche der Verwerfung erkannt werden. Dabei kann eine gute Übereinstimmung von Post-seismischen Deformationen in der Tiefe mit oberflächennahen aseismischen Bereichen beobachtet werden. Desweiteren werden lokal auftretende Flachbeben entlang der Düzce Verwerfung analysiert, welche neue Einblicke in die Entwicklung dieses Bereiches der NAFZ geben. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass räumliche und zeitliche Rotationen des Spannungsfeldes ein nutzbarer Indikator für Veränderungen der seismotektonischen Bedingungen während des seismischen Zyklus sind.