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.
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.
