Ce travail apporte de nouvelles contraintes sur les interactions entre déformation et processus d'hydratation et de percolation de magma ou de fluides dans le manteau à l'aplomb d'une zone de subduction et leurs implications sur les propriétés sismiques dans le coin mantellique. Il se base sur l'analyse de péridotites à spinelle provenant du massif de Ronda (Espagne) et deux séries de xénolites issues de zones de subduction actives (Kamchatka, Papouasie-Nouvelle-Guinée). L'étude structurale, pétrologique et géochimique de ces échantillons montrent qu'ils ont subit une percolation réactive de magma ou de fluide synchrone d'une déformation de haute température basse contrainte cohérente avec les condition PT de la base de la lithosphère ou de l'asthénosphère. Cette percolation réactive est responsable d'un enrichissement en pyroxènes, qui est souvent localisé dans des bandes parallèles à la foliation. Cet enrichissement est associé à une dispersion de l'orientation cristallographique de l'olivine. Les systèmes de glissement dominant dans l'olivine sont dans tous les cas {0kl}[100], ce qui implique que la direction de polarisation rapide des ondes S dans la partie supérieure du coin mantellique est parallèle à la direction d'écoulement dans le manteau. La décroissance de l'intensité des OPR de l'olivine associée à l'enrichissement en pyroxènes a pour conséquence une réduction non négligeable de l'anisotropie sismique qui peut induire jusqu'à 33% d'erreur sur l'interprétation de l'épaisseur de la couche anisotrope. Un enrichissement en orthopyroxène peut aussi entraîner une baisse du rapport Vp/Vs, mais ne peut expliquer les rapports Vp/Vs <1,7 cartés dans certains avant-arcs. Cependant de telles valeurs peuvent être expliquées si l'anisotropie des péridotites du coin mantellique est prise en compte. Les analyses par spectroscopie infra-rouge montrent que les olivines des deux séries de xénolites étudiées contiennent moins d'eau que la saturation théorique calculée pour leurs températures d'équilibre dans le domaine du spinelle. Ces faibles concentrations en eau sont similaires à celles observées dans les olivines des péridotites à spinelle des autres zones de subduction. Elles enregistrent probablement la faible solubilité de l'eau dans l'olivine à des pressions relativement basses et la déshydratation au cours de l'exhumation des xénolites. Ces teneurs en eau mesurées ainsi que les estimations de la saturation théorique ne sont pas suffisantes pour changer la direction de glissement dominante dans l'olivine de [100] à [001].

Les observations récentes ont mis en évidence la diversité des régimes de glissement des failles, et particulièrement l'existence de glissements asismiques transitoires, les séismes lents. Ce travail a pour objectif la compréhension de l'impact de ces séismes lents sur le cycle sismique. La zone étudiée correspond à la zone de subduction du sud du Mexique, au niveau de la lacune sismique de Guerrero. A partir de mesures de déplacement de surface, principalement par GPS, le glissement sur l'interface de subduction est modélisé par des dislocations dans un milieu élastique. Cette analyse nous permet de contraindre l'évolution spatio-temporelle de deux épisodes de glissements lent (2006 et 2009-2010), ainsi que le couplage de l'interface de subduction. Nos résultats montrent une certaine variabilité dans l'évolution spatio-temporelle des deux glissements étudiés : le séisme lent de 2006 présente clairement une propagation du glissement, à une vitesse d'environ 1 km/jour ; le séisme lent de 2009-2010 présente deux sous-évènements, l'occurrence du deuxième sous-évènement étant liée au déclenchement par le séisme de Maule au Chili. Nos résultats mettent également en évidence les variations latérales dans le couplage intersismique de l'interface de subduction : le couplage dans la lacune sismique de Guerrero étant 4 fois plus faible que le couplage de part et d'autre de la lacune. Ainsi la majeure partie du glissement est accommodée par les séismes lents dans la lacune sismique de Guerrero.

Le mémoire de thèse comporte deux études relatives aux Alpes occidentales: 1) une étude de la sismicité(relocalisation des séismes locaux à l'aide d'un modèle 3D); 2) une étude de la structure lithosphérique à l'aide de résidus télésismiques, Ces deux études sont les premiers résultats significatifs utilisant les données du nouveau réseau SISMALP. La première partie traite essentiellement des problèmes de localisation des séismes alpins. Compte tenu de la complexité structurale des Alpes, un modèle de vitesse 3D a été élaboré afin d'obtenir des relocalisations précises des foyers sismiques. Le modèle crustal, partitionné en blocs de taille variable, est déduit d'une compilation des données et des résultats géophysiques. La méthode est appliquée à la relocalisation de deux crises sismiques : l'une en Ubaye, l'autre en mer Ligure. Une troisième application à l'échelle des Alpes occidentales et concernant quatre années de sismicité, met en évidence des essaims sismiques très bien contraints et montre une nouvelle image de la sismicité. La seconde partie présente une analyse des anomalies des temps de propagation des ondes P télésismiques. Une étude des variations azimutales des résidus relatifs permet de confirmer l'existence d'un plongement Iithosphérique situé en bordure ouest de la plaine du Pô. Un autre résultat important est la mise en évidence d'un accident Iithosphérique majeur orienté N140 séparant une microplaque de Provence d'une microplaque du Briançonnais. L'application d'une méthode de tracé de rais dans un milieu 2,5D montre : l'existence d'une paléo-subduction de la microplaque du Briançonnais sous le promontoire Adriatique atteignant 220 km de profondeur; l'existence d'une asthénosphère très lente sous la plaque Europe et l'existence d'une probable anisotropie de vitesse à grande échelle. De nouvelles implications géodynamiques pour les Alpes occidentales sont discutées.

L'histoire géodynamique du Sud-Ouest Pacifique est contrôlée depuis le Mésozoïque par l'évolution des zones de subduction péri-Pacifique qui ont successivement bordé la marge Est du Gondwana. Le recul de la fosse de subduction par effondrement du panneau plongeant dans le manteau est probablement le moteur de la fragmentation continentale qui a donné naissance à des rifts avortés et des bassins arrière-arcs associés à des arcs volcaniques rémanents. Dans ce contexte géodynamique, les bassins ayant atteint un stade d'océanisation avancé ont enregistré les inversions du champ magnétique terrestre et développé des morphologies typiques de la croûte océanique. Ces caractéristiques ont permis d'identifier l'âge et la nature de la croûte de ces bassins avec un degré de confiance élevé. C'est le cas de la plupart des bassins du Sud-Ouest Pacifique formés après 45 Ma. A l'inverse, les bassins de Nouvelle-Calédonie et de Fairway, plus étroits et recouverts d'épaisses séries sédimentaires ont une origine mal renseignée qui est longtemps restée controversée. Bien que morphologiquement et structuralement remarquables à l'échelle régionale, ces bassins n'interviennent pas dans les schémas actuels de reconstruction géodynamique régionaux. L'objet du présent travail de thèse est d'approfondir la connaissance de la structure et de l'histoire de ces bassins afin d'affiner le puzzle géodynamique du Sud-Ouest Pacifique. Une synthèse géologique régionale, accompagnée d'une carte structurale (planche hors texte A0), permet de replacer ces bassins dans le contexte géologique de l'évolution post-jurassique de la marge Est-Australienne. Les nouvelles données sismiques d'imagerie profonde des campagnes ZoNéCo-11, Noucaplac-2 et TL-1, couplées aux données récentes de forages sur la marge de Taranaki en Nouvelle-Zélande, constituent une base solide de données nouvelles autorisant une interprétation chronostratigraphique rénovée des bassins de Fairway et de Nouvelle-Calédonie ainsi que des rides qui leur sont associées. Ces interprétations complétées par une nouvelle compilation des données gravimétriques et magnétiques régionales permettent de dégager trois étapes dans l'évolution géodynamique de ces bassins : Etape 1 : Formation du Bassin de Fairway - Aotea au Crétacé moyen, en position intra- ou arrière-arc continental, dans un contexte de subduction. La formation de ce bassin, relativement peu profond, reflète les prémices de la déchirure continentale de la marge Est-Gondwanienne au Cénomanien, dont la cause est à rechercher dans un changement de la dynamique de la subduction. Une « verticalisation » de la plaque plongeante aurait entraîné de l'extension dans la plaque chevauchante. L'augmentation du pendage du slab pourrait être attribuée à : (i) un processus gravitaire lié au poids du slab, l'amenant à couler dans l'asthénosphère, engendrant alors un « hinge rollback », (ii) un flux asthénosphérique rétrograde, exerçant une pression horizontale sur le slab le faisant ainsi reculer, et (iii) la cinématique des plaques lithosphériques impliquées dans la subduction pouvant jouer un rôle sur le pendage du slab et pouvant créer des zones de faiblesse dans la plaque chevauchante menant à de l'extension arrière-arc. Un phénomène de « tectonic escape », lié à un blocage de la zone de subduction par le plateau d'Hikurangi à 105 Ma, pourrait aussi être la cause du recul de la subduction menant à de l'extension arrière-arc. Etape 2 : Déformation locale affectant la partie Nord du Bassin de Nouvelle-Calédonie (au large de la Grande Terre, strictement) à l'Eocène terminal, synchrone de l'obduction ophiolotique néo-calédonienne. Cette déformation asymétrique, d'une durée de quelques millions d'années et d'amplitude verticale de l'ordre de 10 km, est marquée par la surrection de la ride de Fairway et la subsidence de la marge Est du bassin, le long de la côte Ouest de la Nouvelle-Calédonie. Le Bassin de Nouvelle-Calédonie aurait subsidé sous l'effet de la surcharge engendrée par le charriage de la croûte océanique du Bassin de Sud-Loyauté sur la ride de Norfolk à 37 Ma et aurait réagi comme un bassin flexural d'avant-pays suivant un processus de sous-charriage (underthrusting), au fur et à mesure que la nappe progressait sur le bâti Calédonien. Etape 3 : Subsidence Eocène-Oligocène d'envergure régionale, affectant l'ensemble « Ride de Lord Howe, Bassin de Fairway – Aotea, Ride de Fairway, Bassin de Nouvelle-Calédonie, Ride de Norfolk », de la Nouvelle-Zélande à la Nouvelle-Calédonie. Les traits morphostructuraux associés à cette subsidence suggèrent que l'ablation d'une partie de la croûte inférieure du système est responsable de cette subsidence. Nous émettons ainsi une nouvelle hypothèse selon laquelle les bassins de Nouvelle-Calédonie et de Fairway-Aotea, initialement peu profonds pendant le Crétacé (phase de rifting Crétacé, étape 1), auraient subi une subsidence de grande ampleur à l'Eocène – Oligocène lors de la réactivation de la convergence Australie – Pacifique. La reprise de la convergence vers ~45 Ma aurait entraîné un épaississement crustal de l'ensemble de rides et bassins aboutissant à une instabilité gravitaire de sa racine, provoquant ainsi son détachement et son effondrement dans le manteau. Ces nouvelles interprétations, et en particulier l'âge Crétacé moyen des sédiments les plus anciens des bassins de Fairway et Aotea, ont des implications pour le potentiel pétrolier de la région.

Les serpentinites (roches ultramafiques hydratées contenant environ 13 wt.% d'eau) sont particulièrement abondantes dans la lithosphère océanique formée aux dorsales lentes. En parallèle, il est acquis que les serpentinites sont aussi présentes le long du plan de subduction, et dans la partie hydratée du coin mantellique. Dans ce contexte, elles sont stables jusqu'à des profondeurs de 100 à 170 km correspondant à leur température de déstabilisation de l'ordre de 650-700°C (antigorite breakdown). De nombreux travaux ont montré que les serpentinites provenant de ces deux contextes étaient fortement enrichies en éléments mobiles dans les fluides (e.g. As, Sb, B, Li, Ba, Sr, U, Pb, Cs). L'objectif de ce travail de thèse est d'identifier la ou les phases porteuses de ces éléments dans les serpentinites et d'évaluer le comportement des éléments traces et des Terres Rares au cours de la serpentinisation. L'étude géochimique in situ des phases serpentineuses (chrysotile, lizardite et antigorite) par LA-HR-ICP-MS nous permet de montrer la non mobilité des Terres Rares au cours de la serpentinisation des olivines et des pyroxènes. Par contre, nous observons un enrichissement systématique en éléments mobiles (As, Sb, B, Li, Ba, Sr, U, Pb, Cs) dans les minéraux serpentineux. Une étude comparative entre des serpentinites abyssales subduites et exhumées provenant de l'arc des Grandes Antilles (Cuba et République Dominicaine) et des serpentinites abyssales (MARK zone) nous permet d'affirmer que les éléments mobiles incorporés dans les serpentines ne sont pas remobilisés lors du métamorphisme prograde de subduction. Ces dernières peuvent donc transférer ces éléments à des profondeurs importantes, au-delà de 150 km. A partir de l'étude des serpentinites du Tso Morari (Ladakh, Himalaya), issues de l'hydratation du coin mantellique, nous observons aussi un enrichissement en éléments mobiles (Sb, As, B, U, Pb, Cs, Li). Si le bore et l'uranium sont enrichis indépendamment du minéral primaire, Sb et As sont enrichis préférentiellement dans les olivines serpentinisées, tandis que Pb, Cs et Li sont enrichis dans les orthopyroxènes serpentinisés. Cet enrichissement différentiel traduit la déshydratation progressive des sédiments subduits et l'incorporation successive d'éléments mobiles en fonction de la température de serpentinisation de l'olivine (< 300°C) et du pyroxène (> 300°C). En parallèle, une étude expérimentale en autoclave hydrothermale (2 < P < 4 kbars ; 200 < T < 500°C) et en presse piston cylindre (P = 40 kbars ; T = 500°C) a permis de confirmer l'incorporation du Li et de Sb dans le réseau cristallin des phases serpentineuses. De plus, l'étude isotopique du Li dans les serpentines de synthèse a permis de mettre en évidence un fractionnement isotopique de cet élément en fonction de la nature de la phase serpentineuse. Le Δ7Li(solide-fluide) dans les chrysotiles est positif, tandis que les antigorites et lizardites présentent un Δ7Li(solide-fluide) négatif. Ce fractionnement isotopique traduit l'incorporation préférentielle du 7Li dans les tubes de chrysotiles et du 6Li dans les réseaux cristallins de la lizardite et de l'antigorite. Ainsi, nous confirmons par cette étude le rôle majeur des serpentinites comme vecteurs de l'eau et des éléments mobiles depuis la lithosphère océanique vers le manteau profond, et donc leur participation au recyclage de ces éléments dans les zones de subduction. Il est fortement suspecté que leur déshydratation dans ce contexte soit à même de participer à la fusion partielle du coin mantellique et permettrait alors d'expliquer les enrichissements en éléments mobiles observés dans les laves d'arc (As, U, Pb, Sb, B, Li).

Un réseau local de 44 stations sismologiques portables installé dans le sud de la Grèce nous a permit d'enregistrer plus de 800 séismes. Le but de cette campagne était d'étudier la tectonique de l'arc hellénique et la géométrie de la subduction. Les séismes crustaux sont localisés en majorité entre les fosses helléniques et l'arc égéen méridional, sans montrer de lacune de sismicité, au niveau du gap d'Anticythère. Les fosses de Pline et de Strabon ont très peu de sismicité. Nous avons recensé une centaine de séismes intermédiaires, les séismes subcrustaux se répartissent sous l'arc égéen méridional, tandis que les séismes profonds sont situés à l'est du Péloponnèse et sous Astipaléa. La Mer de Crète est une région asismique alors que la plupart des modèles indiquent qu'elle est la zone où l'extension est maximale. On ne peut pas préciser la géométrie de la subduction puisqu'il n'y a pas continuité d'est en ouest. 98 mécanismes au foyer ont pu être déterminés dans le sud du domaine égéen. Les mécanismes des séismes crustaux confirment les données de microtectonique et de mécanismes au foyer de séismes majeurs; on distingue en plus de la compression E-W au niveau de l'île de Samos. Les séismes subcrustaux montrent un champ de contraintes différent et très complexe. Au contraire, les séismes les plus profonds ont tous des mécanismes avec des axes T plongeant vers le nord parallèles au plongement supposé de la plaque subduite. Les vecteurs glissement sont N-S, parallèles à la direction de convergence entre l'Afrique et l'Eurasie.

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.

Fault planes of large earthquakes incorporate inhomogeneous structures. This can be observed in teleseismic studies through the spatial distribution of slip and seismic moment release caused by the mainshock. Both parameters are often concentrated on patches on the fault plane with much higher values for slip and moment release than their adjacent areas. These patches are called asperities which obviously have a strong influence on the mainshock rupture propagation. Condition and properties of structures in the fault plane area, which are responsible for the evolution of such asperities or their significance on damage distributions of future earthquakes, are still not well understood and subject to recent geo-scientific studies. <br><br> In the presented thesis asperity structures are identified on the fault plane of the M_w=8.0 Antofagasta earthquake in northern Chile which occurred on 30th of July, 1995. It was a thrust-type event in the seismogenic zone between the subducting pacific Nazca plate and the overriding South American plate. In cooperation of the German Task Force for Earthquakes and the CINCA'95 project a network of up to 44 seismic stations was set up to record the aftershock sequence. The seaward extension of the network with 9 OBH stations increased significantly the precision of hypocenter determinations. They were distributed mainly on the fault plane itself around the city of Antofagasta and Mejillones Peninsula. <br><br> The asperity structures were recognized here by the spatial variations of local seismological parameters; at first by the spatial distribution of the seismic b-value on the fault plane, derived from the magnitude-frequency relation of Gutenberg-Richter. The correlation of this b-value map with other parameters like the mainshock source time function, the gravity isostatic residual anomalies, the aftershock radiated seismic energy distribution and the vp/vs ratios from a local earthquake tomograhpy study revealed some ideas about the composition and asperity generating processes. The investigation of 295 aftershock focal mechanism solutions supported the resulting fault plane structure and proposed a 3D similar stress state in the area of the Antofagasta fault plane. / Die Bruchflaeche grosser Erdbeben umfasst inhomogene Strukturen, die bisher hauptsaechlich in teleseismischen Untersuchungen nachgewiesen werden konnten. Haeufig werden begrenzte Bereiche auf einer Bruchflaeche beobachtet, die durch eine starke Konzentration des freigesetzten seismischen Moments und durch grosse Dislokationen gekennzeichnet sind. Diese Bereiche werden als 'asperities' bezeichnet, die offensichtlich starken Einfluss auf den Bruchverlauf des Hauptbebens ausueben. Beschaffenheit und Eigenschaften der Strukturen in einem Herdgebiet, die verantwortlich sind fuer die Bildung solcher 'asperities' und deren eventueller Bedeutung fuer Schadensverteilungen in zukuenftigen Erdbeben, sind Gegenstand aktueller geowissenschaftlischer Untersuchungen. <br><br> In der vorliegenden Arbeit werden 'asperity'-Strukturen auf der Bruchflaeche des M_w=8.0 Antofagasta Erdbebens vom 30. Juli 1995 im Norden Chiles identifiziert. Es handelt sich hierbei um ein typisches Subduktionsbeben mit Aufschiebungscharakter, das in der seismogenen Zone zwischen der abtauchenden pazifischen Nazca-Platte und der ueberschiebenden suedamerikanischen Platte stattfand. Durch die Zusammenarbeit der Deutschen Task Force fuer Erdbeben und dem sich waehrend des Bebens bereits vor Ort befindlichen CINCA '95 Projektgruppe, konnte ein bis zu 44 Stationen umfassendes seismologisches Netzwerk zur Registrierung der Nachbeben errichtet werden. Vor allem die seeseitige Erweiterung des Netzes durch 9 OBH Stationen trug zur hohen Praezision der Hypozentrenbestimmung der Nachbeben bei, die sich hauptsaechlich auf der Bruchflaeche und damit im Kuestenbereich um die Stadt Antofagasta und der noerdlich gelegenen Halbinsel Mejillones verteilten. <br><br> Die 'asperity'-Strukturen konnten mittels raeumlicher Variationen von lokalen seismologischen Parametern erkannt werden; zunaechst durch die Verteilung des seimologischen b-Wertes auf der Bruchflaeche aus der Magnituden-Haeufigkeitsbeziehung von Gutenberg-Richter. Durch die Korrelation dieser Verteilung mit Parametern wie der Momentenrate aus dem Hauptbeben, der isostatischen Restanomalien des Gravitationsfeldes, der Verteilung der abgestrahlten seismischen Energie durch die Nachbeben und der vp/vs-Verhaeltnisse aus einer lokalen Erdbebentomographie konnten Rueckschluesse auf die Beschaffenheit und damit den Bildungsprozess der asperities gezogen werden. Die Untersuchung der Herflaechenloesungen die fuer 295 Nachbeben bestimmt wurden, ergab eine indirekte Bestaetigung der gefundenen Strukturen und wies auf die Existenz eines 3D Spannungszustands im Bereich der Bruchflaeche des Antofagasta Bebens hin.

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