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The styles of deformation of the fore-arc wedges along the Chilean convergent margin are observed to vary significantly, despite similar plate kinematic conditions. Here, I focus on the analysis of fore-arc deformation on two regions along the Chilean convergent margin at 20°-24°S and 37°-42°S. Although both regions are subjected to the oblique subduction of the oceanic Nazca plate and backstopped by the Andes mountain chain; they display different patterns of deformation. The northern Chilean study area (20° - 24°S) is characterized by an exceptionally thick crust of about 60 km beneath the Altiplano – Puna plateau, lack of an accretionary wedge in the fore-arc due to hyperarid climate, and consequently a sediment starved trench. Two major margin parallel strike slip faults are observed in this area, the Atacama Fault Zone (AFZ) and the Precordilleran Fault System (PFS). Both strike-slip faults do not exhibit significant recent displacement. The southern study area (37° - 42°S), compared to the northern study area, is characterized by lower topography, high precipitation rates (~2000 mm/yr), and a younger subducted oceanic plate. An active strike-slip fault, the Liquiñe-Ofqui-Fault-Zone (LOFZ), shows ~1 cm/yr recent dextral movement and shapes the surface of this area. Thus, the southern Chilean study area exhibits localized strike-slip motion. Within this area the largest earthquake ever recorded, the 1960 Valdivia earthquake, occurred with a moment magnitude of MW=9.5. I have constructed 2D thermal models and 3D mechanical models for both Chilean study areas to study processes related to active subduction. The applied numerical method is the finite element technique by means of the commercial software package ABAQUS. The thermal models are focused on the thermal conditions along the plate interface. The thermal structure along the plate interface reveals the limits of coupling but also the type of transition from coupled to uncoupled and vice versa. The model results show that shear heating at the plate interface is an important mechanism that should be taken into account. The models also show that the thermal condition at the downdip limit of the coupling zone leads to a sharp decrease of friction along the interface. Due to the different geometries of the two Chilean study areas, such as the slab dip and the thickness of the continental crust, the downdip limit of the southern study area is slightly shallower than that of the northern study area. The results of the 2D thermal models are used to constrain the spatial extent of the coupling zone in the 3D mechanical models. 3D numerical simulations are used to investigate how geometry, rheology and mechanical parameters influence strain partitioning and styles of deformation in the Chilean fore-arc. The general outline of the models is based on the fore-arc geometry and boundary conditions as derived from geophysical and geological field data. I examined the influence of different rheological approaches and varying physical properties of the fore-arc to identify and constrain the parameters controlling the difference in surface deformation between the northern and southern study area. The results of numerical studies demonstrate that a small slab dip, a high coefficient of basal friction, a high obliquity of convergence, and a high Young’s modulus favour localisation of deformation in the fore-arc wedge. This parameter study helped me to constrain preferred models for the two Chilean study areas that fit to first order observations. These preferred models explain the difference in styles of deformation as controlled by the angle of obliquity, the dip of subducting slab, and the strength of wedge material. The difference in styles can be even larger if I apply stronger coupling between plates within the southern area; however, several independent observations indicate opposite tendency showing southward decrease of intensity of coupling. The weaker wedge material of the preferred model for the northern study area is associated with advanced development of the adjacent orogen, the Central Andes. Analysis of world-wide examples of oblique subduction zones supports the conclusion that more mature subduction zones demonstrate less pronounced localization of strike-slip motion. / Die Deformationsmuster der Fore-Arc Keile entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes variieren beachtlich, trotz ähnlicher plattenkinematischer Randbedingungen. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Analyse der Deformation des Fore-Arcs in zwei Gebieten entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes zwischen 20°-24°S und 37°-42°S. Obwohl beide Gebiete durch schiefe Subduktion der ozeanischen Nazca Platte und der östlichen Begrenzung durch die Andine Gebirgskette gekennzeichnet sind, zeigen sie unterschiedliche Deformationsmuster an der Oberfläche. Das nördliche chilenische Gebiet (20° - 24°S) ist gekennzeichnet durch eine außergewöhnliche Krustendicke von ~ 60 km unterhalb des Altiplano - Puna Plateaus, dem Fehlen eines akkretionären Prismas im Fore-Arc aufgrund des trockenen Klimas und somit einer nahezu sedimentfreien Tiefseerinne. Zwei große Plattenrand-parallele Strike-Slip Störungen werden in diesem Gebiet beobachtet, die Atacama Fault Zone (AFZ) und das Precordilleran Fault System (PFS). Beide Strike-Slip Störungen zeigen keine signifikanten aktuellen Bewegungsraten. Das südliche Gebiet (37° - 42°S) ist im Vergleich zum nördlichen Gebiet durch eine niedrigere Topographie, hohe Niederschlagsraten (~2000 mm/a) und eine jüngere abtauchende ozeanische Platte gekennzeichnet. Die aktive Strike-Slip Störung, Liquiñe-Ofqui-Fault-Zone (LOFZ), ist gekennzeichnet durch aktuelle dextrale Bewegungsraten von 1 cm/a und prägt die Oberflächenstruktur in dieser Region. Folglich ist der südliche Arbeitsbereich durch lokalisierte Strike-Slip Bewegung charakterisiert. Innerhalb dieses Gebietes ereignete sich das größte instrumentell aufgezeichnete Erdbeben, das 1960 Valdivia Erdbeben, mit einer Stärke von MW=9.5. 2D thermische Modelle und 3D mechanische Modelle wurden für die beiden chilenischen Gebiete konstruiert, um Prozesse im Zusammenhang mit aktiver Subduktion zu untersuchen. Als numerisches Verfahren wurde die Finite Elemente Methode mit Hilfe des kommerziellen Softwarepakets ABAQUS angewandt. Die thermischen Modelle sind auf die thermischen Konditionen entlang der Plattengrenzfläche fokussiert. Die thermische Struktur entlang der Plattengrenzfläche zeigt die Grenzen der Kopplung an aber auch die Art des Überganges von gekoppelt zu nicht gekoppelt und umgekehrt. Die Modellergebnisse zeigen, dass Heizen infolge der Scherung an der Plattengrenzfläche ein wichtiger Faktor ist, der in Betracht gezogen werden sollte. Die Modelle zeigen auch, dass die thermische Struktur an der unteren Begrenzung der Koppelzone zu einer deutlichen Abnahme der Reibung entlang der Grenzfläche führt. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien der zwei chilenischen Untersuchungsgebiete, z.B. Abtauchwinkel der ozeanischen Platte und Krustendicke, ist die untere Begrenzung der Koppelzone des südlichen Untersuchungsgebietes in geringerer Tiefe als die des nördlichen Gebietes. Die Ergebnisse der thermischen 2D Modelle werden genutzt, um die räumliche Ausdehnung der Koppelzone in den mechanischen 3D Modellen festzulegen. Numerische 3D Simulationen werden genutzt, um zu verstehen, wie Geometrien, Rheologien und mechanische Parameter die Verformungspartitionierung und das Deformationsmuster im chilenischen Fore-Arc beeinflussen. Ich habe den Einfluss unterschiedlicher rheologischer Ansätze und unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften auf den Fore-Arc untersucht, um Parameter zu identifizieren und zu bestimmen, die den Unterschied des Deformationsmusters zwischen dem nördlichen und südlichen Gebiet steuern. Die Ergebnisse der numerischen Studien stellen heraus, dass ein kleinerer Abtauchwinkel der ozeanischen Platte, ein hoher basaler Reibungskoeffizient, eine hohe Konvergenzschiefe und ein großer Elastizitätsmodul die Lokalisierung der Deformation im Fore-Arc Keil begünstigen. Basierend auf dieser Parameterstudie habe ich Modelle für die beiden chilenischen Gebiete ausgewählt, die in Beobachtungen erster Ordnung übereinstimmen. Diese ausgewählten Modelle erklären die unterschiedlichen Deformationsmuster durch eine größere Konvergenzschiefe, einen kleineren Abtauchwinkel der ozeanischen Platte und ein härteres Keilmaterial für das südliche Untersuchungsgebiet. Der Unterschied bezüglich der Deformationsmuster kann sogar größer sein, wenn ich eine größere Reibung zwischen den Platten im südlichen Gebiet anwende; jedoch zeigen einige unabhängige Beobachtungen eine umgekehrte Tendenz: eine Abnahme der Intensität der Koppelung von Nord nach Süd. Das schwächere Keilmaterial des ausgewählten Modells für das nördliche Untersuchungsgebiet steht im Zusammenhang mit der fortgeschrittenen Entwicklung des angrenzenden Orogens, der zentralen Anden. Die Analyse weltweiter Beispiele von schiefen Subduktionzonen unterstützt die Schlussfolgerung, dass ältere Subduktionzonen weniger ausgeprägte Lokalisierung von Strike-Slip Bewegung aufzeigen.

Subduction zones are regions of intense earthquake activity up to great depth. Sources are located inside the subducting lithosphere and, as a consequence, seismic radiation from subduction zone earthquakes is strongly affected by the interior slab structure. The wave field of these intraslab events observed in the forearc region is profoundly influenced by a seismically slow layer atop the slab surface. This several kilometer thick low-velocity channel (wave guide) causes the entrapment of seismic energy producing strong guided wave phases that appear in P onsets in certain regions of the forearc. Observations at the Chile-Peru subduction zone presented here, as well as observations at several other circum-pacific subduction zones show such signals. Guided wave analysis contributes details of immense value regarding the processes near the slab surface, such as layering of subducted lithosphere, source locations of intraslab seismicity and most of all, range and manner of mineralogical phase transitions. <br><br> Seismological data stem from intermediate depth events (depth range 70 km - 300 km) recorded in northern Chile near 21 Grad S during the collaborative research initiative " Deformation Processes in the Andes" (SFB 267). A subset of stations - all located within a slab-parallel transect close to 69 Grad W - show low-frequency first arrivals (2 Hz), sometimes followed by a second high-frequency phase. <br><br> We employ 2-dimensional finite-difference simulations of complete P-SV wave propagation to explore the parameter space of subduction zone wave guides and explain the observations. Key processes underlying the guided wave propagation are studied: Two distinct mechanisms of decoupling of trapped energy from the wave guide are analyzed - a prerequisite to observe the phases at stations located at large distances from the wave guide (up to 100 km). Variations of guided wave effects perpendicular to the strike of the subduction zone are investigated, such as the influence of phases traveling in the fast slab. Further, the merits and limits of guided wave analysis are assessed. Frequency spectra of the guided wave onsets prove to be a robust quantity that captures guided wave characteristics at subduction zones including higher mode excitation. They facilitate the inference of wave guide structure and source positioning: The peak frequency of the guided wave fundamental mode is associated with a certain combination of layer width and velocity contrast. The excitation strength of the guided wave fundamental mode and higher modes is associated with source position and orientation relative to the low-velocity layer. <br><br> The guided wave signals at the Chile-Peru subduction zone are caused by energy that leaks from the subduction zone wave guide. On the one hand, the bend shape of the slab allows for leakage at a depth of 100 km. On the other, equalization of velocities between the wave guide and the host rocks causes further energy leakage at the contact zone between continental and oceanic crust (70 km depth). Guided waves bearing information on deep slab structure can therefore be recorded at specific regions in the forearc. These regions are determined based on slab geometry, and their locations coincide with the observations. <br><br> A number of strong constraints on the structure of the Chile-Peru slab are inferred: The deep wave guide for intraslab events is formed by a layer of 2 km average width that remains seismically slow (7 percent velocity reduction compared to surrounding mantle). This low-velocity layer at the top of the Chile-Peru slab is imaged from a depth of 100 km down to at least 160 km. Intermediate depth events causing the observed phases are located inside the layer or directly beneath it in the slab mantle. The layer is interpreted as partially eclogized lower oceanic crust persisting to depth beyond the volcanic arc. / Subduktionszonen sind bis in große Tiefen von intensiver Erdbebentätigkeit geprägt. Die Erdbebenquellen befinden sich in der subduzierten Lithosphäre (Slab), ihr Wellenfeld wird deshalb stark von der internen Slab-Struktur beeinflusst. Eine Schicht mit reduzierter seismischer Geschwindigkeit im oberen Bereich der Platte kann als Wellenleiter für diese Signale fungieren. In der nur wenige Kilometer dicken Schicht entstehen sogenannte geführte Wellen, die in Teilen des Forearc beobachtet werden. Diese Phasen bergen wertvolle Informationen über die Struktur nahe der Slab-Oberfläche, wie zum Beispiel Dicke der Schichtung, Herdlokationen und vor allem Tiefe und Art mineralogischer Umsetzungen. <br><br> Die Beobachtungen stammen von mitteltiefen Beben (70 km - 300 km) im Untersuchungsgebiet in Nord-Chile und wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereich 267 " Deformationsprozesse in den Anden" aufgezeichnet. Stationen in einem Streifen um 69 Grad W, der sich parallel zum Streichen der Subduktionszone erstreckt, zeigen niederfrequente Ersteinsätze, denen teilweise höherfrequente Phasen folgen. <br><br> Mit Hilfe eines 2-dimensionalen Finite-Differenzen-Algorithmus werden die P-SV Wellenausbreitung simuliert, und die Beobachtungen erklärt. Zentrale Fragestellungen zu Wellenleitern in Subduktionszonen werden untersucht: Es werden zwei Mechanismen, die das Auskoppeln seismischer Energie aus dem Wellenleiter ermöglichen beschrieben - eine Grundvoraussetzung für das Auftreten von geführten Wellen in großen Entfernungen vom Wellenleiter (bis zu 100 km). Des weiteren werden Stärken und Grenzen der Analyse von geführten Wellen erörtert. <br><br> Die Spektren der geführten Wellenzüge erweisen sich als robuste Messgröße, um die Charakteristika des Wellenleiters zu bestimmt. Struktur des Wellenleiters und Quellpositionen können so für festgelegte Quell-Empfänger-Geometrien abgeleitet werden. Die Peak-Frequenz der Grundmode wird durch eine Kombination aus Dicke der Schicht und Geschwindigkeitskontrast bestimmt. Die Stärke der Anregung der Grundmode und höherer Moden lässt auf die Lage und Orientierung der Erdbebenquelle relativ zur Schicht schließen. Geschwindigkeitskontrast, Schichtdicke und Quellposition sind von herausragender Bedeutung, um mineralogische Interpretationen des Wellenleiters zu überprüfen. <br><br> Aufbauend auf die Simulationen werden die Beobachtungen interpretiert und Auskunft über die Struktur der Chile-Peru Subduktionszone erhalten: Eine dünne Schicht an der Slab-Oberfläche (durchschnittlich 2 km dick) trägt geringere seismische Geschwindigkeiten als der umgebende Mantel und fungiert als Wellenleiter für intra-platten Ereignisse in Tiefen von 100 bis mindestens 160 km. Ereignisse, die geführte Wellen hervorrufen, liegen in dieser Schicht oder direkt darunter im subduzierten Mantel. Um zu den Stationen in der Forearc-Region zu gelangen, entkoppelt ein Teil der geführten Wellen in einer Tiefe von circa 100 km aus der Niedergeschwindigkeitsschicht. Die Krümmung des Slab erlaubt das Austreten der Wellen und nimmt auch Einfluss auf die Pulsformen. <br><br> Der Wellenleiter in der Chile-Peru Subduktionszone ergibt sich als unregelmäßige Schicht mit reduzierter seismischer Geschwindigkeit, in der geführte Wellen entstehen, in unterschiedlichen Tiefen wieder austreten, und an die freie Oberfläche gelangen. Die Beobachtungsgebiete befinden sich im Forearc und werden durch die Geometrie und Struktur der subduzierten Platte festgelegt. <br><br> Die nur wenige Kilometer dicke, seismisch langsame Schicht an der Oberfläche des Chile-Peru Slab legt nahe, dass die Unterkruste der subduzierten Platte bis in große Tiefen besteht und nicht vollständig eklogitisiert ist. Abgeleitete Schichtdicke, Geschwindigkeitskontrast

The agricultural sector of Andean countries like Peru and Bolivia perceives the consequences of climate change in increasing water stress due to melting glaciers and changing precipitation patterns. Therefore mainly subsistence agricultural systems are increasingly vulnerable. Traditional inhabitants of the tropical Andean region are aware of the recurrent diversity of climate related impacts and its consequences, thus livelihood strategies are based on principles of risk management. Andean farmers are nowadays applying traditional strategies in a combination of homegrown experimentation and scientific know-how to cope with and adapt to a changing climate. Understanding these adaptations has become one of the most important aspects of research into climate change impacts and vulnerability. It provides essential knowledge for developing and transferring strategies towards a sustainable management in agriculture and agroforestry systems. But there still is a lack of a comparative assessment, especially in regions with high impact of extreme climate conditions. The endogenously determined strategies, which are based on the experience of the farmers, are to be complemented by knowledge and experiences coming from outside farm-household systems and communities. In a collaborative way, this exogenous knowledge is to be placed at the disposal of local actors. The necessary network approach leads to a comprehensive involvement of local stakeholders. Therefore a participative network on climate change may work as a tool to bridge the gap between the global discourse on climate change and local action.

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The agricultural sector of Andean countries like Peru and Bolivia perceives the consequences of climate change in increasing water stress due to melting glaciers and changing precipitation patterns. Therefore mainly subsistence agricultural systems are increasingly vulnerable. Traditional inhabitants of the tropical Andean region are aware of the recurrent diversity of climate related impacts and its consequences, thus livelihood strategies are based on principles of risk management. Andean farmers are nowadays applying traditional strategies in a combination of homegrown experimentation and scientific know-how to cope with and adapt to a changing climate. Understanding these adaptations has become one of the most important aspects of research into climate change impacts and vulnerability. It provides essential knowledge for developing and transferring strategies towards a sustainable management in agriculture and agroforestry systems. But there still is a lack of a comparative assessment, especially in regions with high impact of extreme climate conditions. The endogenously determined strategies, which are based on the experience of the farmers, are to be complemented by knowledge and experiences coming from outside farm-household systems and communities. In a collaborative way, this exogenous knowledge is to be placed at the disposal of local actors. The necessary network approach leads to a comprehensive involvement of local stakeholders. Therefore a participative network on climate change may work as a tool to bridge the gap between the global discourse on climate change and local action.

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Spät-miozäne bis quartäre Vulkanite der vulkanischen Front und der Back-arc Region der Zentralen Vulkanischen Zone in den Anden weisen eine weite Spannbreite von delta 11B Werten (+4 bis &ndash;7 &permil;) and Borkonzentrationen (6 bis 60 ppm) auf. Die positiven delta 11B Werte der Vulkanite der vulkanischen Front zeigen eine Beteiligung einer 11B-reichen Komponente am Aufbau der andinen Vulkanite, die am wahrscheinlichsten aus Fluiden der alterierten ozeanischen Kruste der abtauchenden Nazca-Platte stammt. Diese Beobachtung macht einen alleinigen Ursprung der untersuchten Laven aus der kontinentalen Kruste und/oder dem Mantelkeil unwahrscheinlich. Der Trend zu systematisch negativeren delta 11B Werten und kleineren B/Nb Verhältnissen von der vulkanischen Front zum Back-arc wird als Resultat einer Borisotopenfraktionierung einhergehend mit einer stetigen Abnahme der Fluidkomponente und einer relativ konstanten krustalen Kontamination, die sich durch relativ gleichbleibende Sr, Nd und Pb Isotopenverhältnisse ausdrückt, interpretiert. Weil die delta 11B Variation über den andinen vulkanischen Bogen sehr gut mit einer modellierten, sich als Funktion der Temperatur dynamisch verändernden, Zusammensetzung des Subduktionszonenfluides übereinstimmt, folgern wir, dass die Borisotopenzusammensetzung von Arc-Vulkaniten durch die sich dynamisch ändernde delta 11B Signatur eines Bor-reichen Subduktionsfluides bestimmt ird. Durch die Abnahme dieses Subduktionsfluides während der Subduktion nimmt der Einfluss der krustalen Kontamination auf die Borisotopie der Arc-Vulkanite im Back-arc zu. In Anbetracht der Borisotopenfraktionierung müssen hohe delta 11B Werte von Arc-Vulkaniten nicht notwendigerweise Unterschiede in der initialen Zusammensetzung der subduzierten Platte reflektieren.<br /> Eine Dreikomponenten Mischungskalkulation zwischen Subduktionsfluid, dem Mantelkeil und der kontinentalen Kruste, die auf Bor-, Strontium- und Neodymiumisotopendaten beruht, zeigt, dass das Subduktionsfluid die Borisotopie des fertilen Mantels dominiert und, dass die primären Arc-Magmen durchschnittlich einen Anteil von 15 bis 30 % krustalem Materiales aufweisen. / Late Miocene to Quaternary volcanic rocks from the frontal arc to the back-arc region of the Central Volcanic Zone in the Andes show a wide range of delta 11B values (+4 to -7 &permil;) and boron concentrations (6 to 60 ppm). Positive delta 11B values of samples from the volcanic front indicate involvement of a 11B-enriched slab component, most likely derived from altered oceanic crust, despite the thick Andean continental lithosphere, and rule out a pure crust-mantle origin for these lavas. The delta 11B values and B concentrations in the lavas decrease systematically with increasing depth of the Wadati-Benioff Zone. This across-arc variation in delta 11B values and decreasing B/Nb ratios from the arc to the back-arc samples are attributed to the combined effects of B-isotope fractionation during progressive dehydration in the slab and a steady decrease in slab-fluid flux towards the back arc, coupled with a relatively constant degree of crustal contamination as indicated by similar Sr, Nd and Pb isotope ratios in all samples. Modelling of fluid-mineral B-isotope fractionation as a function of temperature fits the across-arc variation in delta 11B and we conclude that the B-isotope composition of arc volcanics is dominated by changing delta 11B composition of B-rich slab-fluids during progressive dehydration. Crustal contamination becomes more important towards the back-arc due to the decrease in slab-derived fluid flux. Because of this isotope fractionation effect, high delta 11B signatures in volcanic arcs need not necessarily reflect differences in the initial composition of the subducting slab. <br /> Three-component mixing calculations for slab-derived fluid, the mantle wedge and the continental crust based on B, Sr and Nd isotope data indicate that the slab-fluid component dominates the B composition of the fertile mantle and that the primary arc magmas were contaminated by an average addition of 15 to 30 % crustal material.

This publication summarizes the main results of the INCAProject during 2011/2012 and the contributions to the according INCA-Summer-School, which took place from September 19th – September 27th 2012 at the Technische Universität Dresden, Faculty of Environmental Sciences, Institute of International Forestry and Forest Products, Professorship of Tropical Forestry in Tharandt, Germany.

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