Folgerungen für Tektonik und Fluid Migration

List of Figures .................................................................................... iii List of Tables ..................................................................................... vi 1 Introduction 1 1.1 The problem .... ............................................................... 1 1.2 The scientific questions...................................................... 2 1.3 Hypothesis ....................................................................... 3 1.4 State of investigations ....................................................... 3 1.5 A brief overview of this study ............................................. 4 2 Geotectonic setting 6 2.1 The Andean convergence system .......................................... 6 2.2 Central Andes ..................................................................... 9 2.3 The Altiplano segment ......................................................... 11 2.3.1 Forearc ................................................................... 11 2.3.2 Arc, backarc and foreland ......................................... 11 2.3.3 Deformation and uplift of the Altiplano Plateau ............ 13 2.4 West Fissure Fault System ................................................... 15 3 Theoretical background of the methods used 17 3.1 Precise location technique NonLinLoc ..................................... 17 3.2 Local magnitude determination ............................................. 19 3.3 Focal mechanisms ............................................................... 19 3.3.1 Introduction ............................................................. 19 3.3.2 First- motion of P-waves ............................................ 20 3.3.3 Amplitude ratios ....................................................... 21 3.4 Stress tensor analysis .......................................................... 23 3.5 Moment tensor analysis ........................................................ 24 3.6 Spectral analysis .................................................................. 26 3.6.1 Determination of M0 and MW ...................................... 28 3.7 Frequency-magnitude distribution .......................................... 28 3.8 Interevent-time distribution ................................................... 29 3.9 Principal Components Analysis ............................................... 31 3.10 3D rotation matrix ............................................................... 33 3.11 Spatiotemporal analysis ....................................................... 34 3.12 Spatiotemporal migration ..................................................... 35 4 Result- characterization of the West Fissure Fault System 36 4.1 Experiment set-up and data ................................................... 36 4.2 The observed seismicity ........................................................ 40 4.3 Focal mechanisms-data processing and results ........................ 47 4.4 Stress tensors ...................................................................... 51 4.5 Moment tensor analysis ......................................................... 57 4.6 Discussion of the results and comparison with other studies ...... 69 5 Detecting possible fluid signals from the clusters 78 5.1 Introduction to the cluster analysis .......................................... 78 5.2 Data ..................................................................................... 78 5.3 Chronological evolution of the energy release in the clusters ...... 80 5.4 Statistical characteristics ......................................................... 82 5.4.1 Frequency- magnitude distribution ................................. 82 5.4.2 Interevent- time distribution .......................................... 82 5.5 Spatial analysis ...................................................................... 85 5.6 Spatiotemporal analysis .......................................................... 88 5.7 Spatiotemporal migration ........................................................ 94 5.8 Discussion of the results and the different clusterization models .. 95 5.8.1 Intrinsic differences in the earthquake clusterization ....... 95 5.8.2 Mainshock- aftershock model ......................................... 96 5.8.3 Ambiguities of the mainshock-aftershock model .............. 96 5.8.4 Stick- slip model ........................................................... 97 5.8.5 The proposed model .................................................... 98 5.8.6 Other geophysical anomalies taken in consideration ....... 98 6 Conclusions 103 6.1 Tectonic implications ............................................................. 103 6.2 Fluid migration implications .................................................... 104 Bibliography 107 A Focal mechanisms parameters 125 A.1 Events used in the stress tensor analysis ............................... 125 B Location parameters 132 B.1 Events used in the swarm analysis ....................................... 132 B.2 Events used in the subcluster A analysis ............................... 135 B.3 Events used in the subcluster A' analysis .............................. 139 C Acknowledgments 141 D Curriculum Vitae 143In November 2005, a temporary short-period seismic network was installed in the Chilean Precordillera, around 21°S. This set of twelve 3-component stations that form the West Fissure seismological network has been recording continuously since then, however, only the crustal microseismicity data recorded during the years 2005-2009 were processed and analyzed here. Thus, the microseismicity studies in the forearc of the north Chilean subduction have permitted the retrieval of important tectonic features of the crust. A new image of the crustal structure and the West Fissure Fault System (WFFS) as a westward-dipping compressive structure, geometrically opposed to Nazca plate subduction, has been constrained by microseismicity. The origin of this particular geometry is not clearly defined yet, but this could be a tectonic response to differences in the rheological behavior of the crust. The characterization of this structure, in terms of its stress distribution and kinematics, has been obtained by a good fit with some deeper focal mechanisms and also through stress tensor analysis in the zone. The stress tensor analysis also shows that the state of stress in the convergence margin is related to compression, whereas the extension is only a manifestation of local forces associated with the highest areas in the Andes. Two seismic clusters have also been identified and possibly associated with a blind branch of WFFS. The study of these two clusters with a focus on their sources and possible connection with fluid migration was carried out. It is observed that some characteristics of the two clusters found in the zone differ from each other. The central cluster has characteristics of an earthquake swarm with two phases which can clearly be identified, whereas the SW cluster has a clear main shock associated and can be separated into two subclusters (A and A', respectively). In contrast, the similarities permit to infer that they could have a common origin. The b-values for both are characteristic of tectonic plate boundaries. The spatial spreading of the events -which is approximately confined to one plane- reveals a progressively growing of the main fracture that form the swarm and subcluster A activities. It is also found that earthquakes themselves trigger aftershocks near the border of their rupture areas. In addition, the spatio-temporal migration of hypocenters, as well as, spatial correlation -with areas that were interpreted as fluid migration zones- lead to believe that there is a close relation between fluids and the sources of the swarm and subcluster A. These observations above, point to think in a stick-slip behavior of the rupture propagation, which can be explained by stress transfers and induced fluid flows due to earthquakes in a fluid- permeated critically loaded fault zone.Im November 2005 wurde in der chilenischen Präkordillere bei 21 Grad südlicher Breite ein temporäres, kurz-periodisches, seismisches Stationsnetz installiert. Dieses Netz mit zwölf 3-Komponenten Seismometern, die das „West Fissure seismological network“ bilden, haben seit dem kontinuierlich aufgezeichnet. Für diese Arbeit wurden die Daten krustaler mikroseismischer Ereignisse der Jahre 2005 bis 2009 prozessiert und analysiert. Die Mikroseismizitätsstudien im „Fore-Arc“ über der Subduktionszone im Norden Chiles haben zur Entdeckung wichtiger tektonischer Eigenschaften der Kruste geführt. Durch die Lokalisierung der Mikroseismizität ergibt sich ein neues Bild für die Struktur der Kruste und das West Fissure Fault System (WFFS) als eine nach Westen gerichtete Kompressionsstruktur, die der Nazca-Platte geometrisch entgegensteht. Die Ursache dieser speziellen Geometrie ist noch nicht genau klar, es könnte sich jedoch um die tektonische Antwort auf Unterschiede im rheologischen Verhalten der Kruste handeln. Die Eigenschaften dieser Struktur hinsichtlich der Spannungsverteilung und der Kinematik wurden durch eine geeignete Anpassung der Herdmechanismen von tiefer liegenden Ereignissen sowie durch Spannungstensor-Analysen in dem Gebiet erlangt. Die Spannungstensor-Analyse verdeutlicht zudem, dass der Spannungszustand am konvergenten Plattenrand mit Kompression verbunden ist, während es sich im Falle der Dehnung lediglich um eine Manifestation von lokalen Kräften handelt, die mit den höchsten Gebieten in den Anden verbunden sind. Zudem wurden zwei seismische Cluster entdeckt, die möglicherweise mit einem blinden Ausläufer des WFFS verbunden sein könnten. Es wurde eine Analyse dieser beiden Cluster mit dem Schwerpunkt auf deren Ursprung sowie auf deren mögliche Verbindung mit Fluidmigrationen durchgeführt. Dabei wurde beobachtet, dass sich einige Eigenschaften der beiden in dem Gebiet entdeckten Cluster unterscheiden. Der zentrale Cluster weist Eigenschaften eines Erdbebenschwarms mit zwei Phasen auf, während dem SW-Cluster ein Hauptbeben zugeordnet werden kann. Dieser Cluster kann in zwei Subcluster aufgeteilt werden. Demgegenüber lassen die Ähnlichkeiten darauf schließen, dass sie einen gemeinsamen Ursprung haben. Für die Ereignisse beider Cluster ergeben sich b-Werte, die für die Ränder tektonischer Platten charakteristisch sind. Die räumliche Verteilung der Ereignisse – welche ungefähr auf eine Ebene begrenzt ist – zeigt ein zunehmendes Anwachsen der Hauptfrakturen, welche zum Bebenschwarm oder zu den Aktivitäten des Subclusters A führen. Es wurde zudem festgestellt, dass Erdbeben selbst, in der Nähe der Grenze ihrer Bruchzone, Nachbeben auslösen. Zudem führt die raumzeitliche Migration von Erdbebenherden sowie die räumliche Korrelation – mit Gebieten, die als Gebiete mit Fluidmigration bewertet wurden – zu der Annahme, dass es eine enge Beziehung zwischen Fluiden und den Ursachen Quellen für den Schwarm und das Subcluster A gibt. Diese oben genannten Beobachtungen deuten darauf hin, dass es sich bei der Bruchverbreitung um ein „Stick-Slip“-Verhalten handelt, das durch Stress- Übertragungen und induzierte Flüssigkeitsströme aufgrund von Erdbeben in einer von Flüssigkeit durchdrungenen, kritisch geladenen Störungszone erklärt werden kann