Analysis of seismic and aseismic deformation using shoreline-crossing observations
Localized shear zones accommodate the deformation of the Earth’s surface and are referred to as geological faults. Where the stress of tectonic plate movement or gravitational forces act on the internal strength of rocks or sediments and exceed certain shear stresses, rapid brittle deformation releases elastic energy, in the form of an earthquake. When physical properties, loading rate, or environmental conditions reduce the slip rate, no or long-period seismic energy is radiated and referred to as aseismic deformation. Varying fault slip behavior plays an essential role in the earthquake cycle and poses a significant risk to coastal populations, especially when occurring offshore due to potential cascading effects. The rigorous study of the seismic or aseismic behavior of faults involves the application of seafloor measurements and coastal observations to provide adequate assessments and mitigate future marine geohazards. This thesis aims to analyze offshore seismic and aseismic deformation using different seismological and geodetic constraints from on- and offshore observations to better understand the spatial and temporal variations in fault slip behavior. The main methodology combines marine seismology and seafloor geodesy in a shoreline-crossing approach to estimate the Spatio-temporal slip behavior along two major fault types. The behavior varies from seismic to radiation of elastic energy to aseismic (silent or slow slip), and is estimated to provide constraints on overarching tectonic or geological processes. To decipher slip variation along different fault types and to understand the underlying processes, three distinct settings are investigated: the offshore megathrust along the north Chilean subduction zone, the strike-slip North Anatolian Fault in the central Sea of Marmara and the southern limit of the unstable eastern flank of Europe’s largest active volcano, Mount Etna. The north Chilean subduction zone is characterized by the erosional underthrusting of the oceanic Nazca plate underneath the continental South American plate. The 2014 Mw 8.1 Iquique earthquake sheds light on the subduction processes of the shallow megathrust and the marine forearc. Analysis of an amphibious seismic network and multi-channel seismic data reveals a coupled process involving the seismic behavior at the seismogenic up-dip limit and shallow subduction erosion during the co- and postseismic phase. Aseismic deformation of sub-seafloor faults is ubiquitous and requires the application of seafloor measurement techniques. Direct displacement monitoring using acoustic direct-path ranging is beneficial for in situ detection and discrimination of aseismic and seismic fault displacement. The analysis of seismic activity and deformation on the submerged strike-slip fault zone of the North Anatolian Fault using acoustic direct-path ranging with long-term monitoring revealed the locking state of the central Marmara segment and the implications of strain accumulation for the densely populated region. Gravitational-driven fault displacement in the event of a submarine landslide poses a significant risk to inhabited coastal areas. The eastern flank of Mount Etna in Sicily has long been known for its instability, but offshore constraints were lacking. Analyses of the submerged eastern flank, which is limited by an onshore elongated strike-slip fault to the south, revealed aseismic slip behavior that includes slow slip and demonstrated the potential hazard of sudden flank movement in the Mediterranean Sea.
Die Deformation der Erdoberfläche findet an örtlich begrenzten Scherzonen statt, welche als geologische Verwerfungen bezeichnet werden. Wirkt die Belastung durch tektonische Plattenbewegungen oder Gravitationskräfte auf die innere Festigkeit von Gesteinen oder Sedimenten ein und überschreitet diese bestimmte Scherspannungen, wird durch rasche spröde Verformung elastische Energie in Form von Erdbeben freigesetzt. Verringern physikalischen Eigenschaften, Belastungsrate und Umgebungsbedingungen die Gleitrate, wird keine oder eine langanhaltende seismische Energie abgestrahlt. Dies wird als aseismische Deformation bezeichnet. Das variable Gleitverhalten von Verwerfungen spielt eine wesentliche Rolle im Erdbebenzyklus und stellt eine erhebliche Gefahr für die Küstenbevölkerungen dar, insbesondere wenn es aufgrund möglicher Kaskadeneffekte vor der Küste auftritt. Die gründliche Untersuchung des seismischen oder aseismischen Verhaltens von Verwerfungen erfordert die Anwendung von Messverfahren am Meeresboden sowie Beobachtungen an der Küste, um in Zukunft eine angemessene Bewertung marine-geologischer Gefahren vornehmen zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, seismische und aseismische Deformation abseits der Küste mit Hilfe verschiedener seismologischer und geodätischer Daten aus Land und marinen Beobachtungen zu analysieren, zum besseren Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variationen des Verwerfungsverhaltens. Die Hauptmethode kombiniert marine Seismologie und Meeresbodengeodäsie in einem küstenlinienübergreifenden Ansatz, der beitragen soll, das räumlich-zeitliche Gleitverhalten entlang zweier Hauptverwerfungstypen abzuschätzen. Die Deformation variiert von seismisch, über die Abstrahlung elastischer Energie, bis hin zu aseismisch, welches nicht notwendigerweise über Abstrahlung von Energie erfolgt (stilles oder langsames Gleiten). Das Untersuchen der verschiedenen Deformationen liefert Hinweise auf tektonische oder geologische Prozesse. Um die Gleitvariationen entlang verschiedener Verwerfungstypen zu entschlüsseln und die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen, werden in dieser Studie drei verschiedene Regionen untersucht: die submarine Plattengrenze entlang der nordchilenischen Subduktionszone, die Nordanatolische Horizontalverschiebung im zentralen Marmarameer und die südliche Grenze der instabilen Ostflanke von Europas größtem aktiven Vulkan, dem Ätna. Die nordchilenische Subduktionszone ist durch das erosive Abtauchen der ozeanischen Nazca-Platte unter die kontinentale südamerikanische Platte gekennzeichnet. Das Iquique-Erdbeben von 2014 mit einer Stärke von Mw 8,1 wirft ein Licht auf die aktiven Subduktionsprozesse der flachen Plattengrenze und des marinen Forearcs. Die Analyse eines amphibischen seismischen Netzwerks und mehrkanalreflexionsseismischer Daten weist auf einen gekoppelten Prozess hin, der das seismische Verhalten aufwärts der seismogenen Zone und die Subduktionserosion während der co- und post-seismischen Phase umfasst. Die seismische Deformation von Verwerfungen am Meeresboden ist allgegenwärtig und erfordert die Anwendung von Messverfahren am Meeresboden. Die direkte Überwachung von Verschiebungen mit Hilfe von akustischem Distanzmessungen ist für die in situ Erkennung und Unterscheidung von aseismischen und seismischen Verwerfungen von Vorteil. Die Analyse der seismischen Aktivität und der Verformung an der unter Wasser liegenden Nordanatolischen Horizontalverschiebung, mit Hilfe von akustischen Distanzmessungen und Langzeitbeobachtungen, zeigte den Verriegelungszustand des zentralen Marmara-Segments und die Auswirkungen der Spannungsakkumulation auf die dicht besiedelte Region. Schwerkraftbedingte Horizontalverschiebung, im Falle einer submarinen Hangrutschung, stellen eine erhebliches Risiko für besiedelte Küstenregionen dar. Die Ostflanke des Ätnas in Sizilien ist seit langem für ihre Instabilität bekannt, doch fehlte es an küstenfernen Beobachtungen. Analysen der submarinen Ostflanke, die durch eine langgestreckte Horizontalverschiebung an Land im Süden begrenzt ist, ergaben ein aseismisches Rutschverhalten, das langsames vorübergehendes Rutschen einschließt und die potenzielle Gefahr einer plötzlichen Flankenbewegung im Mittelmeer aufzeigt.
Vorschau
Rechte
Nutzung und Vervielfältigung:
Bitte beachten Sie, dass einzelne Bestandteile der Publikation anderweitigen Lizenz- bzw. urheberrechtlichen Bedingungen unterliegen können.