dc.contributor.author
Li, Shaoyang
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:02:24Z
dc.date.available
2016-07-13T11:55:20.396Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9972
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-14170
dc.description.abstract
Modern GPS measurements have provided essential constraints on the kinematics
of the continental lithosphere at an unprecedented spatial and temporal
resolution and have, in turn, revolutionized our view of crustal deforming
processes spanning the earthquake cycle in the subduction zone. These
measurements have been particularly useful in constraining viscous deformation
of the asthenosphere. The accumulation of geodetic time series in many
subduction zones has led to many significant refinements on the concept of
subduction earthquake cycle. In this thesis, I present a broad spectrum of
interrelated topics about the underlying deformation mechanisms during the
subduction zone earthquake cycles. I integrate Finite Element Method (FEM)
modeling and geodetic constraints from GPS observations to geomechanically
explore the tectonophysical processes at different stages of the earthquake
cycle with case studies mainly confined to the Chilean plate boundary margin.
For the interseismic period, I investigate the control of viscoelasticity of
the asthenosphere on interseismic deformation and its effects on the apparent
locking degree determination. Most previous models explain the interseismic
deformation with purely elastic solution and neglect the potential
viscoelastic effects, hence the associated interpretations are potentially
misleading. To highlight the pitfalls of interpreting the geodetic data with
purely elastic models for both the forward and inverse problems, I develop a
novel FEM-based viscoelastic inversion method and apply it to the Peru-North
Chile subduction zone. My results confirm that elastic models are prone to
overestimating the interseismic locking depth and indicate that the signals
interpreted as back-arc shortening in the elastic model can be alternatively
explained by viscoelastic deformation, which, in turn, dramatically refines
the interseismic locking pattern in both dip and strike directions. Hence it
is necessary to thoroughly reevaluate existing locking models that are based
on purely elastic models, some of which attribute viscoelastic deformation to
different sources such as microplate sliver motions. For the coseismic period,
I investigate the influence that megathrust earthquake slip has on the
activation of splay faults, taking into account the effects of gravity and
variations in the frictional strength properties of splay faults. My results
indicate that the static triggering process is controlled by a critical depth
of megathrust slip distribution. Megathrust slip concentrated at depths
shallower than the critical depth will favor normal displacement, while slip
concentrated at depths deeper than the critical depth is likely to result in
reverse motion. This work thus provides a useful tool for predicting the
activation of secondary faults and may have direct implications for tsunami
hazard research. For the earthquake cycle, especially the postseismic period,
I investigate how the effective viscosity varies in asthenosphere. We use a
set of 3-D FEM models and continuous GPS observations to constrain the
effective viscosities of the asthenosphere and investigate the spatio-temporal
variability of the effective viscosity. Our results reveal a sudden decrease
in effective viscosities in near field following the earthquake and the slow
recovery of these effective viscosities during the postseismic phase. While in
far field, there is no sudden effect, rather a gradual viscosity decrease. The
variations of the viscosity in these bodies may reflect a dependence of the
viscosity on the stress state of the materials, which is suddenly elevated by
coseismic-introduced stress perturbation. Therefore, we suggest this
geophysical process may explain the first order change in wavelength of
surface deformation away from the trench before and after a great earthquake.
While the viscosity variation of the asthenosphere is significant enough to be
measured by geodetic instruments, significant challenges remain for refining
the model of viscoelastic deformation in the subduction earthquake cycle.
de
dc.description.abstract
Moderne GPS Messungen erlauben es kinematische Prozesse in der kontinentalen
Lithosphäre in einer noch nie dagewesenen räumlichen und zeitlichen Auflösung
zu betrachten und haben somit unsere Sicht auf Deformationsprozesse in der
Kruste, wie etwa den seismischen Kreislauf in Subduktionszonen, grundlegend
verändert. GPS Messungen waren insbesondere für das grundlegende Verständnis
viskoser Deformationsprozesse in der Asthenosphäre gewinnbringend. Durch die
Erhebung immer neuer Daten und die länger werdenden Observationszeiträume
wurde das Konzept des ’seismischen Kreislaufes’ immer weiter verfeinert und
überarbeitet. In dieser Arbeit behandele ich eine weigefächerte Auswahl
miteinander verknüpfter Fragestellungen die sich mit den zugrundeliegenden
Deformationsmechanismen während des seismischen Kreislaufes in
Subduktionszonen befassen. Um die tektono-physikalischen Prozesse in
verschiedenen Stadien dieses Erdbeben Kreislaufes zu untersuchen kombiniere
ich GPS Daten und Finite Elemente Modellierung (FEM) wobei die folgenden
Untersuchungen vorwiegend auf den chilenische Plattenrand konzentriert sind.
In Bezug auf die interseismische Periode untersuche ich die Bedeutung einer
viskoelastischen Asthenosphäre auf die interseismische Deformation und deren
Einfluss auf die Blockierung der Subduktionszone. Da die meisten bereits
publizierten Modelle die interseismische Deformation nur mit elastisch
deformierenden Rheologien modellieren und viskoelastische Effekte
vernachlässigen sind die daraus folgenden Interpretationen potentiell
irreführend. Um die Probleme aufzuzeigen, die durch vorwärts oder inverses
Modellieren der geodätischen Daten in einer ausschließlich elastischen
Rheologie entstehen, habe ich eine neue FRM-basierte Inversionsmethode
entwickelt und diese auf die Peru-Nord Chile Subduktionszone angewandt. Meine
Modelle bestätigen, dass die nur elastischen Modelle dazu neigen die
interseismische Blockierungstiefe zu überschätzen. Ein Signal, dass in
elastischen Modellen oft als Verkürzung im back-arc Becken interpretiert wird,
kann alternativ durch viskoelastische Deformation erklärt werden. Dies
wiederum verändert grundlegend das Muster der interseismischen Blockierung.
Folglich ist es notwendig existierende elastische Modelle zu überprüfen, da
sie teileweise viskoelastische Effekte durch andere Prozesse, wie zum Beispiel
die Bewegung von Plattenfragmenten, erklären. In Bezug auf die coseismische
Periode untersuche ich den Einfluss der Verschiebung während großer Erdbeben
auf die Aktivierung von splay-faults wobei ich die Erdanziehung und
Variationen im Reibungsverhalte auf der Bruchfläche berücksichtige. Meine
Ergebnisse zeigen, dass das statische triggern der splay-faults durch eine
kritische Tiefe der Bewegung auf der Hauptverwerfung kontrolliert wird.
Bewegung auf der Hauptverwerfung flacher als diese kritische Tiefe führen zu
Abschiebungen. Bewegung auf der Hauptverwerfung tiefer als die kritische Tiefe
führt zu Überschiebungen. Diese Analyse stellt folglich eine praktische
Möglichkeit dar die Aktivierung von sekundären Verwerfungen abzuschätzen. Dies
könnte in Bezug auf Tsunami Vorhersage von Nutzen sein. In Bezug auf den
Erdbeben Kreislauf, insbesondere auf die postseismische Periode, untersuche
ich wie sich die effektive Viskosität in der Asthenosphäre verändert. Ich
benutze kontinuierliche GPS Messungen und verschiedene 3D FRM Modelle um die
effektive Viskosität der Asthenosphäre zu bestimmen und untersuche die
zeitliche und örtliche Variabilität dieser. Die Ergebnisse zeigen, dass die
effektive Viskosität im Nachfeld nach einem Erdbeben plötzlich abnimmt und
sick langsam während der postseismischen Phase wieder erholt. Im Gegensatz
dazu messen wir im Fernfeld keine plötzliche, sondern einen eher graduellen
Abnahme der Viskosität. Die Veränderungen der Viskosität in diesen Körpern
könnten eine Abhängigkeit der Viskosität vom Spannungszustand des Material
bedeuten, da der Spannungszustand wiederum durch die plötzlich coseismisch
herbeigeführte Spannungsänderung ansteigt. Diese geophysikalischen Prozesse
könnte die großflächige Änderung des Deformationsverhaltens vor und nach einem
großen Erdbeben, die mit zunehmender Distanz vom Tiefseegraben stattfindet,
erklären. Nachdem die Viskositätsänderungen in der Asthenosphäre anscheinend
groß genug ist um von geodätischen Messinstrumenten aufgezeichnet zu werden,
sind nun weitere Herausforderungen im Bezug auf die Verfeinerung von
viskoelastischen Erdbeben-Kreislauf Modelle zu bewältigen.
de
dc.format.extent
XXII, 145 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Subduction zone
dc.subject
Earthquake cycle
dc.subject
Finite Element Method modeling
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::558 Geowissenschaften Südamerikas
dc.title
Geomechanical modeling of earthquake cycles in Chilean subduction zone
dc.contributor.contact
lee.shaoyang@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Onno Oncken
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Frederik Tilmann
dc.date.accepted
2016-06-08
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000102472-4
dc.title.translated
Geomechanische Modellierung von Erdbeben Zyklen in der chilenischen
Subduktionszone
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000102472
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000019529
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access