Ces dernières années ont vu le développement d'une nouvelle méthode d'imagerie des structures géologiques basée sur l'utilisation du bruit sismique continu. Dans ce travail nous avons utilisé cette approche dans deux problématiques différentes. La première consiste à réaliser le suivi temporel des vitesses des ondes sismiques dans la croûte lors de séismes lents qui ont eu lieu dans la région de Guerrero au Mexique. Les séismes lents sont des glissements asismiques et transitoires qui ont été découverts récemment dans la lacune sismique de Guerrero. Ils sont considérés comme une part importante de la relaxation des déformations dans le cycle sismique. Les séismes lents affectent le processus de chargement et déchargement de l'interface, il est donc important de comprendre le comportement mécanique de la subduction dans cette région pour mieux évaluer le risque sismique. Dans notre étude, nous avons mesuré les perturbations de vitesse des ondes associées à deux séismes lents en 2006 et 2009-2010 à partir des enregistrements continus du bruit sismique. Pour chacun des deux séismes lents on observe une chute de vitesse : elle s'élève à 0.2% pour celui de 2006 et à 0.8 % pour celui de 2009-2010. Au cours de ces séismes lents, les ondes de longues périodes (>10 s) sont perturbées. A courtes périodes, aucune variation de vitesse n'est observée ce qui suggère qu'un endommagement des couches superficielles de la croûte ne peut pas être à l'origine du changement de vitesse. Par ailleurs, la perturbation de vitesse est reliée au taux de dé- formation plutôt qu'à la déformation elle-même. Cette observation suggère que pendant de forts séismes lents, la croûte chevauchante présente un comportement mécanique non linéaire. Nous pouvons donc utiliser les variations de vitesse comme des marqueurs du taux de déformation du milieu. Enfin, une corrélation entre les trémors non volcaniques et les variations de vitesse suggère qu'une part importante de la déformation résultant des séismes lents est accommodée par la croute chevauchante. La deuxième problématique abordée dans cette thèse est l'imagerie de structures à fort contraste de vitesse et dans lesquelles la propagation des ondes de surface est complexe. Imager et comprendre la propagation des ondes dans la vallée de Mexico est crucial pour l'estimation du risque sismique à la capitale. Nous mesurons la dispersion des ondes de Rayleigh reconstruites à partir d'intercorrélations de bruit de fond sismique. Pour identifier les modes nous utilisons une mesure du rapport spectral des composantes horizontales sur la composante vertical (H/V) sur la coda des séismes que l'on compare avec le rapport H/V théorique. Grâce à cette identification des modes, nous pouvons retrouver le modèle de vitesse de la structure. / Recent years have seen the development of a new method for imaging geological structures based on continuous seismic noise. In this work we used this approach in two different problems. The first is to monitor seismic waves velocity in the crust during slow slip events that occurred in the region of Guerrero in Mexico. These slow slip events are aseismic transients that were observed recently in the seismic gap of Guerrero. They are considered an important part of the strain relaxation in the seismic cycle. Since slow slip events affect the process of loading and unloading of the interface, it is important to understand the mechanical behavior of the subduction in this region to better assess the seismic risk. In our study, we measured wave velocity perturbations associated with two slow slip events in 2006 and 2009-2010 from continuous recordings of seismic noise. For both events we observed a drop in wave speed : it reaches 0.2 % in 2006 and 0.8 % in 2009-2010. During these slow slip events waves of long periods (> 10 s) are disturbed. At short period, no velocity variation is observed suggesting that damage of the superficial layers of the crust cannot produce such velocity perturbation. Moreover, the wave speed change is related to the strain rate rather than the deformation itself. This observation suggests that during strong slow slip events the overriding crust presents a nonlinear mechanical behavior. We can therefore use the velocity variations as a proxy of the strain rate of the medium. Finally, a correlation between non-volcanic tremor and changes in waves speed suggests that part of the deformation resulting from the slow slip events is accommodated by the overriding crust. The second issue addressed in this thesis is imaging geological structures with high velocity contrast in which the propagation of surface waves is complex. Charac- terizing and understanding wave propagation in the Valley of Mexico is crucial for the estimation of seismic risk in Mexico City. We measure the dispersion of Rayleigh waves reconstructed from cross-correlations of seismic noise. To identify the modes of Rayleigh waves we use a measure of the spectral ratio of the horizontal components to the vertical component (H / V) in the coda of earthquakes which are compared with the theoretical H / V. With this identification method, we can find the velocity model of the structure.

Southern Vancouver Island lies on the forearc of the Cascadia subduction zone, north of a concave bend in the plate boundary centred around the Olympic Mountains. The bend in the margin coincides with a significant decrease in northward-directed trench-parallel forearc migration, and a network of active crustal faults in the Puget Lowland east of the Olympic Mountains accommodates permanent north-south shortening and transpression. The nature of forearc deformation on southern Vancouver Island is less well constrained, due in part to the unknown extent and kinematics of active crustal faulting. Recent work has shown that a brittle fault zone associated with the Eocene terrane-bounding Leech River fault has produced at least two surface-rupturing earthquakes in the late Quaternary. I use LiDAR-derived topographic data, slip-sense indicator analysis of slickenlines on fault planes, electrical resistivity tomography (ERT), and ground-penetrating radar (GPR) to investigate the geometry, kinematics, and Quaternary activity along the eastern half of the active, brittle Leech River fault zone. My mapping reveals a complex, near-vertical zone up to 1 km wide and 25 km long that exhibits many characteristics of a strike-slip fault. Displaced Quaternary deposits are observed directly at two sites in the western 8 km of the study area, and inferred through geophysical imagery, topographic data, and liquefaction features to extend to the eastern terrestrial extent of the fault zone towards previously mapped active faults in the Juan de Fuca Strait and the Darrington-Devil’s Mountain fault zone in western Washington. I use fault kinematics and geometry to show that the eastern Leech River fault zone has been reactivated as a right-lateral strike-slip fault that accommodates forearc deformation within the modern stress field north of the Olympic Mountains. / Graduate / 2018-12-01

La zone de subduction entre les plaques Nazca et Amérique du Sud est une des régions les plus actives de notre planète. De grands tremblements de terre et tsunamis associés se produisent de façon récurrente presque tout au long de sa marge. Néanmoins, le segment de subduction au nord du Pérou (de lat.3oS à 9oS) est resté le seul segment sismiquement silencieux depuis les premières informations historiques sur les séismes qui remontent au XVème siècle. Avant les travaux présentés dans ce manuscrit, aucune information sur les processus accommodant la convergence de la plaque Nazca vers le continent Sud-Américain n’était disponible le long du segment de 1000km au nord Pérou et sud Equateur. Les techniques de géodésie spatiale, en particulier le GPS/GNSS, nous permettent de quantifier les mouvements à la surface de la plaque supérieure avec une précision millimétrique. Ces mesures, couplées à l'utilisation de modèles élastiques, nous permettent de déterminer le niveau du couplage intersismique le long de l'interface entre les plaques. Le but de ma thèse est d'étudier le cycle sismique et la déformation continentale le long de la zone de subduction du Pérou, avec un intérêt particulier pour son segment nord. Nous utilisons des mesures GPS acquises depuis 2008 dans le cadre d'un projet international (le projet Andes Du Nord, ANR- ADN). Le champ de vitesse GPS obtenu couvre l’ensemble de la marge de subduction péruvienne, avec des mesures dans la cordillère et dans une moindre mesure dans la région sub-Andine. L'analyse et la modélisation du champ de vitesse GPS ont permis d'obtenir les résultats suivants: Premièrement: nous mettons en évidence l'existence d'un nouveau domaine continental, que nous avons baptisé comme le sliver Inca et qui est en translation a une vitesse de 4-5 mm/an en direction sud-est par rapport au craton Sud Américain. Le sliver Inca s’étend tout le long de la marge péruvienne. / The Nazca/South American subduction zone is one of the most active regions on Earth. Large earthquakes and associated tsunamis occur recurrently almost all along its margin. Nevertheless, the ~1000 km long (from lat.2oS to 9oS) segment in northern Peru and southern Ecuador subduction has remained in relative seismic silence for at least the past five centuries. Before the work presented in this thesis, no information about the processes accommodating the convergence was available for this region and it was impossible to answer whether it could host a great Mw>8.5 earthquake in future or not. Nowadays, spatial geodesy, and more specifically GPS/GNSS enable us to quantify the surface displacement on the overriding plate with millimeter accuracy. Geodetic measurements together with the use of elastic models allow us to determine the amount of interseismic coupling at the plate interface. My thesis focuses on the seismic cycle and the continental deformation along the Peruvian subduction margin, with particular interest along its northern and central segments. We use GPS measurements acquired since 2008 in the frame of an international French-Peruvian- Ecuadorian project (the Andes Du Nord project, ADN). Our GPS velocity field covers the entire Peruvian subduction margin, with measurements in the Andean cordillera and part of the sub-Andean region. Modeling of GPS velocity field show the existence of a new tectonic microplate that we baptized as the Inca Sliver, which is in southeastward translation a rate of 4-5 mm/yr with respect to stable South America.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22256号 / 理博第4570号 / 新制||理||1656(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)准教授 西村 卓也, 教授 福田 洋一, 准教授 深畑 幸俊 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

La géologie, et plus particulièrement la géophysique, repose sur l’observation, directe et indirecte, de phénomènes se produisant en surface et dans les profondeurs de la Terre. Ces observations nous permettent d’étudier et définir la structure et les dynamiques globales de la Terre. L’étude des ondes sismiques générées par les tremblements de terre les plus puissants permet, par exemple, d’entrevoir la structure des hétérogénéités dans les premières centaines de kilomètres de la Terre. Dans cette thèse, nous nous intéressons au champ d’onde diffracté, qui est composé des arrivées tardives qui suivent les ondes incidentes. Par définition, les ondes diffractés contiennent de l’information liée aux hétérogénéités diffractantes, autrement dit les structures à petite échelle de la Terre, qu’elles rencontrent le long de leur trajet. De ce fait, il est possible d’étudier les variations rapides de vitesses sismiques grâce au champ d’onde diffracté, alors que ces informations seraient perdues dans les méthodes tomographiques à cause des facteurs de régularisation. Afin d’exploiter le champ d’onde diffracté, on a recours aux fonctions récepteurs (« receiver function » en anglais, RF) et à la migration sismique en profondeur de pré-empilage. Les procédures standard de migration sismiques sont de deux types principaux. Le premier type de procédures, dont l’exemple type est la migration en point de conversion communs (« common conversion point » en anglais, CCP) est rapide mais repose sur l’hypothèse fondamentale que les discontinuités que l’on cherche à imager sont horizontales. Le second type de procédures, pour lesquelles on peut citer la « reverse time migration » (RTM), ou la « generalized radon transform » (GRT), ne font pas d’hypothèse sur la structure du sous-sol, mais demandent une forte intensité des calculs et sont de fait souvent limités à des géométries bidimensionnelles. Au cours de ce manuscrit, nous développons une migration sismique de type Kirchhoff qui se base sur des calculs de temps de trajet sismique rapides en trois dimensions et quasiment aucune hypothèse sur la structure du milieu sous-jacent. Cet algorithme efficace nous permet de nous affranchir des traditionnelles limitations à des études 1D ou 2D. Notre principe d’imagerie prend en compte les ondes diffractées transmises et réfléchies, et se place dans la suite des travaux de Cheng et al. (2016). Nous adaptons la migration de type Kirchhoff élastique aux géométries de diffraction inhérentes à la sismologie passive et prenons en compte les multiples de surface. Les temps de trajet de toutes les ondes diffractées sont calculées grâce à la « fast marching method » (FMM). Les amplitudes et la polarité des signaux des RF sont corrigées à l’aide du calcul de figures de diffraction 3D. Pour extraire l’information des conversions transmises et réfléchies de façon cohérente, les résultats pour chaque mode de diffraction sont sommés de plusieurs façons (linéaire, à filtre de phase, et à filtre d’amplitude non linéaire). Afin de démontrer l’efficacité et la précision de notre méthode de migration, nous procédons à des tests synthétiques, aussi bien dans des situations réalistes qu’artificiellement compliquées, en nous servant du logiciel Raysum. Les résultats de ces tests prouvent que cette méthode de migration permet d’obtenir une image fidèle du milieu imagé quasiment sans artéfacts. En intégrant les trois composantes des RF dans la migration, cette méthode de migration est capable d’exploiter l’information d’ondes arrivant avec n’importe quel angle d’incidence et n’importe quel azimut. Finalement, cette méthode de migration multi-mode 3D est appliquée à deux jeux de données de terrain issus de réseaux sismiques déployés au dessus de zones de subduction, en Grèce et en Alaska / In geology, and in particular in geophysics, direct and indirect observations of processes occurring both at the surface of the Earth and at depth are used to understand the structure and dynamics of the Earth. For instance, seismic waves generated by large earthquakes can be used to study the structure of heterogeneities in the first few hundred kilometers inside the Earth. In this work, we use the scattered wavefield, which corresponds to energy arriving after the incident wavefield, to image the Earth. By nature, the scattered waves are linked to the scattering heterogeneities encountered along their propagation path, i.e. the fine scale structure of the Earth. Hence, the scattered wavefield has the ability to highlight structures where rapid velocity variations would otherwise be smoothed out by tomographic regularization, such as the structure of subducting slabs. To extract the information from the scattered wavefield, we resort to receiver function (RF) analysis and pre-stack depth migration. Standard migration procedures either rely on the assumption that underlying discontinuities are horizontal, such as in Common Conversion Point stacking (CCP), or are computationally expensive and usually limited to 2D geometries, such as in Reverse Time Migration (RTM) or Generalized Radon Transform (GRT). Here, we develop a Kirchhoff-type teleseismic imaging method that uses fast 3D travel-time calculations with minimal assumptions about the underlying structure. This provides high computational efficiency without limiting the problem to 1D or 2D geometries. In our method, we apply elastic Kirchhoff migration to transmitted and reflected teleseismic waves (i.e., RF). The approach expands on the work of Cheng et al. (2016). The 3D elastic Kirchhoff migration is adapted to the passive seismology scattering geometry and to account for free surface multiples. We use an Eikonal solver based on the fast marching method (FMM) to compute travel times for all scattered phases. 3D scattering patterns are computed to correct the amplitudes and polarities of the three component input signals. We consider three different stacking methods (linear, phase weighted and 2 nd root) to enhance the structures that are most coherent across scattering modes. To showcase the efficiency and accuracy of our migration procedure, we test it by conducting a series of synthetic tests in both artificially challenging and realistic scenarios. Results from synthetic tests show that our imaging principle can recover scattering structures accurately with minimal artifacts. We show that integrating the three components of the RF into the imaging principle allows to coherently retrieve the scattering potential for arbitrarily dipping discontinuities from all back-azimuths, and are able to retrieve a typical 2.5D subduction zone structure. We apply this novel 3D multi-mode Kirchhoff migration method to two different subduction zones, in Western Greece and Southern Alaska

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Cette thèse porte sur les relations entre la limite supérieure de la zone sismogène et la construction et la structuration du prisme de Nankai, au Sud-Est du Japon. La détermination des contraintes dans le prisme à partir des données d’ovalisation de puits montrent une permutation des contraintes au dessus d’un hors séquence, appelé splay fault, situé à la limite de la zone sismogène. Le régime de contrainte est extensif dans cette zone et décrochant dans le reste du prisme. L’étude de la compaction des sédiments à partir des données de porosité corrigée de l’effet des argiles permet de quantifier l’érosion récente des sédiments de pentes, et montre l’existence d’une érosion plus ancienne au dessus des chevauchements majeurs. L’étude des styles de déformations des sédiments montre que l’érosion peut rendre compte de la répartition des structures de déformation dans le prisme. Enfin, la modélisation mécanique de la marge montre que l’activité de la splay fault, très faible depuis le dernier million d’années, et la présence d’une zone d’extension en arrière de cette faille s’expliquent par l’arrêt de l’accrétion et un décollement faible dans le prisme frontal. / This study is focused on the upper limit of the seismogenic zone in the Kumano transect of the Nankai margin in relation with the construction of the wedge. The first step was to determine the stress orientations and amplitude within the wedge from borehole breakouts analysis. We show the striking presence of a trench normal extension zone behind the splay fault in a wedge dominated by a strike-slip stress regime. Locally an extensional stress regime is also observed in the slope sediment of the outer part of the wedge. In a second part of this work, we used porosity corrected from water bound to clay minerals to study the compaction state of the sediments and to quantify the amount of erosion in the slope sediments. Results also highlight the existence of past erosion related to the activity of the splay fault. In a third part, the observation of deformation style within sediments showed that erosion could explain the distribution of dilatant and compactive structures within the wedge. Finally, we show, based on mechanical modeling, that the splay fault slow slip rate over the last million year, and the presence of an extension zone landward of the splay fault, could both be explained by a pause in the accretion and a weak décollement beneath the outer wedge.

Les laves émises en domaine de subduction sont dominées par des compositions calcoalcalines à hypersthène normatif. En revanche, les inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes (Fo ≥ 88) des basaltes d’arc présentent des compositions alcalines, à néphéline normative. Bien que leurs compositions en éléments traces incompatibles ne diffèrent pas de celles de leurs laves hôtes, ces magmas ne peuvent pas s’expliquer par les modèles classiques de formation des laves d’arc. L’étude d’inclusions magmatiques alcalines de plusieurs arcs du monde a permis de mettre en évidence leur variabilité de composition, en particulier en CaO et Sc, deux éléments compatibles dans le clinopyroxène. Le couplage de cette étude avec des modélisations thermodynamiques a aboutit à l’élaboration d’un modèle de source impliquant la contribution de clinopyroxénites à amphibole à environ 1 GPa. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d’arc seraient ainsi les témoins de l’hétérogénéité de source à l’origine des magmas d’arc. Les expériences de fusion partielle du mélange homogène clinopyroxénite à amphibole – péridotite hydratée réalisées à 1 GPa permettent d’apporter des informations supplémentaires quant aux mécanismes de genèse des magmas d’arc sous-saturés en silice et de mieux comprendre les comportements de fusion des deux types de lithologies. Pour des proportions inférieures à ~ 50 % de pyroxénite dans la source, les magmas produits présentent des compositions à hypersthène normatif, comparables aux laves d’arc issues de la fusion de lithologies péridotitiques. Pour des proportions de pyroxénites supérieures, les magmas sont à néphéline normative et s’enrichissent en calcium, reproduisant ainsi la gamme de compositions observée pour les inclusions magmatiques. 50 % de mélange correspond à la limite de stabilité de l’orthopyroxène. Tant que cette phase est présente dans le résidu, les magmas engendrés restent à hypersthène normatif. De plus, la présence d’amphibole dans la source permet d’augmenter la sous-saturation des liquides résultants et d’expliquer ainsi les termes les plus riches en néphéline normative de certaines inclusions. Nos expériences de fusion d’une source homogène ont également permis de déterminer la composition des magmas formés par un processus de fusion plus réaliste, impliquant une source hétérogène pyroxénite-péridotite. La productivité de liquides des pyroxénites étant supérieure à celles des péridotites, les magmas générés à partir d’une source hétérogène seront donc principalement pyroxénitiques, c’est-à-dire davantage sous-saturés en silice. Ainsi, dans le cas d’un mélange de magmas issus d’une source hétérogène, la transition entre les compositions à hypersthène et à néphéline normatifs s’effectue aux alentours de 30-40 % de liquides pyroxénititiques, soit pour environ 20-25 % de pyroxénite dans la source. L’origine de ces lithologies dans le manteau sub-arc est attribuée à la délamination de cumulats à clinopyroxène + amphibole présents à la base de la croute des arcs. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d’arc auraient enregistré plusieurs étapes de mélange entre des liquides quasi-purs de clinopyroxénites et des liquides péridotitiques. L’homogénéité de compositions des laves à hypersthène normatif traduirait en revanche, un stade de mélange et de différenciation plus avancé, atténuant ainsi la signature pyroxénitique. / Lavas erupted in subduction zones are dominated by calc-alkaline, hypersthene-normative compositions. However, melt inclusions trapped in magnesian olivines (Fo ≥ 88) from arc basalts often show alkaline, nepheline-normative compositions. Although their trace element compositions are comparable to those of their host lavas, these melt inclusions cannot be simply explained by the typical models for arc lava genesis. The study of melt inclusions from several island arcs from all over the world has emphasized their compositional variability, in particular in calcium and Sc, two elements compatible in clinopyroxene. The coupling of this study with thermodynamic modelling has led to the development of a source model involving the contribution of amphibole-bearing clinopyroxenites at about 1 GPa. Nepheline-normative arc melt inclusions thus underline the source heterogeneity at the origin of arc magmas. Partial melting experiments of amphibole-clinopyroxenite – hydrous peridotite homogeneous mixtures performed at 1 GPa have provided additional information on the origin of silica-undersaturated arc magmas, and also a better understanding of the melting behaviour of the two types of lithologies. For proportions of pyroxenite lower than 50 % in the mixed source, the derived melts show hypersthene-normative compositions that are comparable to peridotite-derived arc lavas. For higher proportions of pyroxenite in the source, the derived magmas become nepheline-normative, calcium-rich, and reproduce the compositional range of the melt inclusions. Fifty percent of mixing corresponds to the limit of orthopyroxene stability. As long as this phase is present in the residue, the generated melts are hypersthene-normative. In addition, the presence of amphibole in the source increases the silica under-saturation of liquids and thus accounts for the extreme enrichment in normative nepheline of some inclusions. Our melting experiments of a homogeneous source have allowed to determine the compositions of magmas derived from a mode realistic melting process, involving a heterogeneous source. As pyroxenites have higher melt productivity than peridotites, most melts produced from a pyroxenite-peridotite mixed source are comparable to those produced by a dominantly pyroxenitic source, i.e., they display normative nepheline compositions. Thus, in the case of mixing of magmas derived from heterogeneous source, the transition between hypersthene- and nepheline-normative compositions occurs for 30-40 % of pyroxenite melts, generated from 20-25 % of pyroxenite in the source. The origin of these lithologies in the subarc mantle is explained by the delamination of lower crustal cumulates consisting of clinopyroxene + amphibole. Nepheline-normative arc melt inclusions would record multi-stage mixing between clinopyroxenite and peridotite melts. In contrast, the compositional homogeneity of hypersthene-normative lavas would reflect a more advanced stage of mixing and differentiation, thereby reducing the pyroxenite signature in derived magmas.

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.

Die stärksten Erdbeben treten an Subduktionszonen auf, so z.B. das stärkste instrumentell jemals gemessene Erdbeben vom 22. Mai 1960 mit einer Magnitude von 9,5 Mw in Süd Chile. In dieser Arbeit werden lokal gewonnene seismologische Daten aus dem zentralen Bereich des 1960er-Bebens vorgestellt. Das seismologische Netzwerk umfasste den chilenischen Forearc zwischen Tiefseegraben und den vulkanischen Bogen zwischen 41,5°-43,5°S und überdeckte sowohl die Insel Chiloé als auch die Nord-Süd-streichende Liquiñe-Ofqui Störungszone (LOFZ). Zwischen November 2004 und Oktober 2005 konnten 364 lokale Ereignisse registriert werden. Die gewonnen Aufzeichnungen erlauben Aussagen sowohl über das aktuelle Spannungsfeld im Forearc als auch über das lokale Geschwindigkeitsmodell und die Geometrie der subduzierten Benioff-Zone. Mit einer Auswahl von P- und S-Laufzeiten von gut lokalisierbaren Erdbeben wurden ein Minimum 1-D Geschwindigkeitsmodell, Stationsresiduen und die Hypozentralparameter invertiert. Dieses Geschwindigkeitsmodell diente als Startmodell für die 2-D Tomographie. Das 2-D vp-Modell zeigt eine Zone erhöhter Geschwindigkeiten unterhalb des Längstals und des östlichen Bereiches der Insel Chiloé, die als Mantelaufwölbung interpretiert werden kann. Die Benioff-Zone wird als eine mit ca. 30° ostwärts einfallende Struktur abgebildet. Die seismische Hauptaktivität findet parallel zur Küste der Insel Chiloé in Tiefen zwischen 12 und 30 km statt; es handelt sich um Beben, die wahrscheinlich auf der Plattengrenzfläche stattfinden. In Tiefen über 70 km lässt die Seismizität bereits stark nach, die tiefsten Beben wurden in 120 km Tiefe registriert. Die Abwesenheit tieferer Seismizität wird auf das junge Alter (und eine damit verbundene hohe Temperatur) der ozeanischen Platte zurückgeführt. Neben der Seismizität in der Benioff-Zone treten flache, krustale Beben in verschiedenen Häufungen entlang des magmatischen Bogens auf. Diese Bereiche erhöhter Seismizität sind räumlich mit der LOFZ und den Vulkanen Chaitén, Michinmahuida und Corcovado verknüpft. Beben bis zu einer Magnitude von 3,8 Mw zeigen die gegenwärtige Aktivität der LOFZ. Herdflächen entlang der LOFZ wurden aus Momententensor-Inversion anhand von Amplitudenspektren von Raumwellen gewonnen. Ergebnisse einer Spannungsfeldinversion zeigen ein Blattverschiebungsregime für den magmatischen Bogen und ein Überschiebungsregime für Beben in der Benioff-Zone auf. Die hier gemachten seismologischen Beobachtungen, zusammen mit teleseismischen Erdbeben und geologischen Befunden, unterstützen die Modellvorstellung eines sich nordwärts bewegenden kontinentalen Forearc-Blocks für Süd Chile. / While the northern and central part of the South American subduction zone has been intensively studied, the southern part has attracted less attention, which may be due to its difficult accessibility and lower seismic activity. However, the southern part exhibits strong seismic and tsunamogenic potential with the prominent example of the Mw=9.5 May 22, 1960 Valdivia earthquake. In this study data from an amphibious seismic array (Project TIPTEQ) is presented. The network reached from the trench to the active magmatic arc incorporating the Island of Chiloé and the north-south trending Liquiñe-Ofqui fault zone (LOFZ). 364 local events were observed in an 11-month period from November 2004 until October 2005. The observed seismicity allows to constrain for the first time the current state of stress of the subducting plate and magmatic arc, as well as the local seismic velocity structure. The downgoing Benioff zone is readily identifiable as an eastward dipping plane with an inclination of ~30°. Main seismic activity occurred predominantly in a belt parallel to the coast of Chiloé Island in a depth range of 12-30 km, which is presumably related to the plate interface. The down-dip termination of abundant intermediate depth seismicity at approximately 70 km depth seems to be related to the young age (and high temperature) of the oceanic plate. A high-quality subset of events was inverted for a 2-D velocity model. The vp model resolves the sedimentary basins and the downgoing slab. Increased velocities below the longitudinal valley and the eastern part of Chiloé Island suggest the existence of a mantle bulge. Apart from the events in the Benioff Zone, shallow crustal events were observed mainly in different clusters along the magmatic arc. These crustal clusters of seismicity are related to the LOFZ, as well as to the volcanoes Chaitén, Michinmahuida and Corcovado. Seismic activity up to a magnitude of 3.8 Mw reveals the recent activity of the fault zone. Focal mechanisms for the events along the LOFZ were calculated using a moment tensor inversion of amplitude spectra for body waves which mostly yield strike-slip mechanisms indicating a SW-NE striking of sigma_1 for the LOFZ. Focal mechanism stress inversion indicates a strike-slip regime along the arc and a thrust regime in the Benioff zone. The observed deformation - which is also revealed by teleseismic observations - suggests a confirmation for the proposed northward movement of a forearc sliver acting as a detached continental micro-plate.