The seismically active Alborz mountains of northern Iran are an integral part of the Arabia-Eurasia collision. Linked strike-slip and thrust/reverse-fault systems in this mountain belt are characterized by slow loading rates, and large earthquakes are highly disparate in space and time. Similar to other intracontinental deformation zones such a pattern of tectonic activity is still insufficiently understood, because recurrence intervals between seismic events may be on the order of thousands of years, and are thus beyond the resolution of short term measurements based on GPS or instrumentally recorded seismicity. This study bridges the gap of deformation processes on different time scales. In particular, my investigation focuses on deformation on the Quaternary time scale, beyond present-day deformation rates, and it uses present-day and paleotectonic characteristics to model fault behavior. The study includes data based on structural and geomorphic mapping, faultkinematic analysis, DEM-based morphometry, and numerical fault-interaction modeling. In order to better understand the long- to short term behavior of such complex fault systems, I used geomorphic surfaces as strain markers and dated fluvial and alluvial surfaces using terrestrial cosmogenic nuclides (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) and optically stimulated luminescence (OSL). My investigation focuses on the seismically active Mosha-Fasham fault (MFF) and the seismically virtually inactive North Tehran Thrust (NTT), adjacent to the Tehran metropolitan area. Fault-kinematic data reveal an early mechanical linkage of the NTT and MFF during an earlier dextral transpressional stage, when the shortening direction was oriented northwest. This regime was superseded by Pliocene to Recent NE-oriented shortening, which caused thrusting and sinistral strike-slip faulting. In the course of this kinematic changeover, the NTT and MFF were reactivated and incorporated into a nascent transpressional duplex, which has significantly affected landscape evolution in this part of the range. Two of three distinctive features which characterize topography and relief in the study area can be directly related to their location inside the duplex array and are thus linked to interaction between eastern MFF and NTT, and between western MFF and Taleghan fault, respectively. To account for inferred inherited topography from the previous dextral-transpression regime, a new concept of tectonic landscape characterization has been used. Accordingly, I define simple landscapes as those environments, which have developed during the influence of a sustained tectonic regime. In contrast, composite landscapes contain topographic elements inherited from previous tectonic conditions that are inconsistent with the regional present-day stress field and kinematic style. Using numerical fault-interaction modeling with different tectonic boundary conditions, I calculated synoptic snapshots of artificial topography to compare it with the real topographic metrics. However, in the Alborz mountains, E-W faults are favorably oriented to accommodate the entire range of NW- to NE-directed compression. These faults show the highest total displacement which might indicate sustained faulting under changing boundary conditions. In contrast to the fault system within and at the flanks of the Alborz mountains, Quaternary deformation in the adjacent Tehran plain is characterized by oblique motion and thrust and strike-slip fault systems. In this morphotectonic province fault-propagation folding along major faults, limited strike-slip motion, and en-échelon arrays of second-order upper plate thrusts are typical. While the Tehran plain is characterized by young deformation phenomena, the majority of faulting took place in the early stages of the Quaternary and during late Pliocene time. TCN-dating, which was performed for the first time on geomorphic surfaces in the Tehran plain, revealed that the oldest two phases of alluviation (units A and B) must be older than late Pleistocene. While urban development in Tehran increasingly covers and obliterates the active fault traces, the present-day kinematic style, the vestiges of formerly undeformed Quaternary landforms, and paleo earthquake indicators from the last millennia attest to the threat that these faults and their related structures pose for the megacity. / Das seismisch aktive Elburs Gebirge im Nordiran ist Bestandteil der Arabisch-Eurasischen Kollisionszone. Gekoppelte Blattverschiebungs- und Überschiebungssysteme dieses Gebirges zeichnen sich durch geringe Spannungsaufbauraten aus. Dementsprechend treten große Erdbeben räumlich und zeitlich weit verteilt voneinander auf und Wiederkehrperioden solcher Erdbeben können tausende von Jahren dauern und wurden noch nicht von kurzzeitigen Messmethoden, wie GPS oder instrumenteller Seismologie erfasst. Diese Arbeit überbrückt verschiedene Zeitskalen. Diese Studie beinhaltet insbesondere Auswertungen struktureller und geomorphologischer Kartierungen, störungskinematische Analysen, auf digitalen Höhenmodellen basierende Morphometrie und numerische Modellierung von Störungsinteraktion. Um das lang- und kurzfristige Verhalten solcher komplexen Schwächezonen besser zu verstehen, benutze ich geomorphologische Oberflächen als Deformationsmarker und datiere alluviale und fluviatile Oberflächen mittels kosmogener Nuklide (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) und optisch stimulierter Lumineszenz (OSL). Mein Untersuchungsgebiet umfasst die seismisch aktive Mosha-Fasham Störung (MFF) und die als seismisch quasi inaktiv geltende Nordteheranstörung (NTT), die sich in unmittelbarer Nähe zum Teheraner Ballungsgebiet befinden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Deformationfeld mit der Zeit verändert hat. Die störungskinematischen Daten haben ergeben, dass NTT und MFF bereits seit einer früheren dextral-transpressionalen Phase unter NW-gerichteter Einengung mechanisch gekoppelt sind. Dieses System wurde von pliozäner und bis heute andauernder NE-gerichteter Einengung ersetzt, woraufhin sich Überschiebungen und linkslaterale Blattverschiebungen herausbildeten. Während dieses kinematischen Wechsels wurden NTT und MFF reaktiviert und in ein beginnendes transpressionales Duplexsystem eingebunden, welches die Landschaftentwicklung in diesem Teil des Gebirges signifikant beeinflusst hat. Zwei von drei ausgeprägten topographischen Besonderheiten des Untersuchungsgebietes können direkt mit deren Lage in der Duplexanordnung in Verbindung gebracht werden und spiegeln Interaktion zwischen den östlichen Segmenten von NTT und MFF, bzw., zwischen dem westlichen Segment der MFF und der parallelen Taleghan Schwächezone wider. Um diejenige Topographie auszuweisen, die möglicherweise aus der vorhergehenden Phase vererbt wurde, wurde ein neues Konzept tektonischer Landschaftscharakterisierung benutzt. Einfache Landschaften sind unter dem Einfluß gleichbleibender tektonischer Randbedingungen entstanden. Dagegen enthalten zusammengesetzte Landschaften vererbte Elemente vergangener tektonischer Randbedingungen, die mit dem heutigen Spannungsfeld und kinematischen Stil unvereinbar sind. Mittels numerischer Störungsinteraktionsmodellierungen teste ich verschiedene Randbedingungen und berechne synoptische Momentaufnahmen künstlicher Topographie um sie mit reellen topographischen Maßen zu vergleichen. Im Elburs Gebirge treten allerdings auch E-W streichende Schwächezonen auf, die so günstig orientiert sind, dass sie Verformung unter der gesamten Einengungsspanne von Nordwest nach Nordost zeigen. Diese weisen den höchsten totalen Versatz auf. Hier tritt das Grundgebirge zutage und wird versetzt, was, wie die Modellierungen vermuten lassen, auf langanhaltende Verformung unter sich ändernden Randbedingungen hinweisen kann. Quartäre Deformation in der benachbarten Teheran Ebene ist durch Schrägbewegungen, Überschiebungen und Blattverschiebungssyteme gekennzeichnet, die typischerweise in Auffaltungen entlang von Hauptstörungen, vereinzelten Blattverschiebungen und en-échelon Anordnungen untergeordneter oberflächlicher Überschiebungen resultieren. Junge Deformation tritt auf, die Hauptbewegungen fanden allerdings im frühen Quartär und wahrscheinlich späten Pliozän statt. TCN-Datierungen, die erstmalig an geomorphologischen Oberflächen in der Teheran Ebene durchgeführt wurden, ergeben dass die beiden älteren Sedimentationsphasen (Einheiten A und B) älter sind als spätes Pleistozän. Obwohl die urbane Entwicklung im Teheraner Ballungsraum die aktiven Störungslinien zunehmend verdeckt und ausradiert, zeugen der heutige kinematische Stil, die Überreste ehemals unverstellter Quartärer Landschaftsformen und Hinweise auf Paläoerdbeben während der letzten Jahrtausende von der Gefahr, die diese Schwächezonen für die Megastadt bedeuten.

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

Η περιοχής της διατριβής βρίσκεται στη ΝΑ Στερεά Ελλάδα μεταξύ του συστήματος τάφρων-ζωνών, του Κορινθιακού και του Νότιου Ευβοϊκού Κόλπου και η κατανόηση της τεκτονικής εξέλιξής της κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική για την κατανόηση της πιθανής αλληλεπίδρασής τους ή ακόμη και της σύνδεσης τους. Για να σκιαγραφηθεί αυτή η σχέση έγινε τεκτονική ανάλυση στη Λεκάνη Θηβών όπου αναγνωρίσθηκαν τέσσερις (4) κύριες ρηξιγενείς ζώνες με μήκη που κυμαίνονται από ~18 έως ~27 km. Κάθε μια από τις ρηξιγενείς ζώνες αποτελείται από επιμέρους κύρια ρήγματα. Αναλύθηκαν συνολικά 10 κύρια ρήγματα με μήκος που κυμαίνεται από ~7 έως ~15 km. Τα ρήγματα και οι αντίστοιχες ρηξιγενείς ζώνες, που αυτά συνθέτουν, αποτελούν, κατά την εξέλιξη της Λεκάνης Θηβών, περιθώρια επιμέρους λεκανών. Η διατριβή συνεισφέρει στην κατανόηση της τεκτονικής εξέλιξής της περιοχής μελέτης, η οποία κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική για την κατανόηση της πιθανής αλληλεπίδρασής των γειτονικών ρηξιγενών ζωνών, ή ακόμη και της σύνδεσης τους. Στόχοι της διατριβής αποτέλεσαν: (1) η αναγνώριση και λεπτομερής χαρτογράφηση των κύριων ρηξιγενών ζωνών της Λεκάνης Θηβών και η σύνδεσή τους με τις τεκτονικές και σεισμολογικές παρατηρήσεις στην περιοχή της ΝΑ Στερεάς Ελλάδας, (2) η κατανόηση του τρόπου σύνδεσης και εξέλιξης των ρηγμάτων, (3) η εκτίμηση του «βαθμού ενεργότητας» των ρηξιγενών δομών, και (4) η κατανόηση του ρόλου της ενεργού τεκτονικής στην εξέλιξη του αναγλύφου της περιοχής μελέτης. Οι σεισμοί, ως φυσικό φαινόμενο, έχουν την δυνατότητα να προκαλούν εκτεταμένες υλικές καταστροφές και πολλές φορές και την απώλεια ανθρώπινων ζωών, επιδρούν κατά κανόνα αρνητικά στην πρόοδο της οργανωμένης κοινωνίας. Συνεπώς, ο καθορισμός των ενεργών τεκτονικών διεργασιών είναι σημαντικός για την κατασκευή μεγάλων τεχνικών έργων αλλά και για τη σχεδίαση της αντισεισμικής πολιτικής μιας περιοχής ή μιας χώρας. Το βασικό ‘’εργαλείο’’ της παρούσας μελέτης αποτέλεσε ένα ευρύ φάσμα ‘’τεχνικών’’ της Ενεργού Τεκτονικής και της Τεκτονικής Γεωμορφολογίας. Η ποσοτική μορφοτεκτονική ανάλυση των ρηξιγενών ζωνών με τη χρήση μορφομετρικών δεικτών, επιτρέπει τόσο την ακριβή χαρτογράφηση και ανάλυση των ρηγμάτων όσο και την εκτίμηση του ‘’βαθμού ενεργότητάς’’ τους. Τα όρια των ρηγμάτων και οι ζώνες μεταβίβασης που αναπτύσσονται μεταξύ των ρηγμάτων στις ρηξιγενής ζώνες αναλύθηκαν με την κατασκευή διαγραμμάτων κατανομής της μετατόπισης. Η διερεύνηση της σχέσης μεταξύ της μετατόπισης του ρήγματος με το επιφανειακό του μήκος, βοηθάει στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται τα ρήγματα και των κλασματικών ιδιοτήτων της μετατόπισης σε σχέση με το μήκος. Επιπρόσθετα, η διερεύνηση της σχέσης μεταξύ αναγλύφου και λεκανών απορροής στη βάση των ρηξιγενών ζωνών, αποτελεί ένα ακόμα ‘’βήμα’’ για την κατανόηση της εξέλιξης του αναγλύφου των ρηξιγενών ορεογραφικών μετώπων. Τα νεοτεκτονικά στοιχεία που συλλέχθηκαν συμπληρώθηκαν με την εκσκαφή παλαιοσεισμολογικών τομών και την εφαρμογή μεθόδων και αρχών της Παλαιοσεισμολογίας και οδήγησαν στη διερεύνηση της σεισμικής ιστορίας του Ρήγματος Καπαρέλλιου, με γεωλογικές μεθόδους, ώστε να εκφράζεται αυτή με όρους ανάλογους της σεισμολογίας. Η χρήση των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (G.I.S) αποτέλεσε ένα ‘’δυναμικό εργαλείο’’ συλλογής, διαχείρισης και απεικόνισης χωρικών δεδομένων που προέκυψαν από την εφαρμογή των παραπάνω μεθόδων στην περιοχή μελέτης. Η ποιοτική και ποσοτική ανάλυση του υδρογραφικού δικτύου της περιοχής μελέτης, έδειξε ότι η εξέλιξη των λεκανών απορροής επηρεάζεται σημαντικά από τη δράση των επιμέρους ρηξιγενών ζωνών, και σε μικρότερο βαθμό και από τις τοπικές γεωλογικές και υδρογεωλογικές συνθήκες της περιοχής. Ο υπολογισμός της ασυμμετρίας των κύριων λεκανών απορροής της περιοχής μελέτης υπολογίσθηκε με το Συντελεστή Ασυμμετρίας (Αf) και το Συντελεστή Εγκάρσιας Τοπογραφικής Συμμετρίας (Τ). Κατά μήκος των ρηξιγενών ζωνών υπολογίσθηκαν οι μορφοτεκτονικοί δείκτες: δείκτης ευθυγράμμισης ορεογραφικού μετώπου (Smf), δείκτης λόγου πλάτους κοιλάδας προς ύψος κοιλάδας (Vf), δείκτης σχήματος λεκάνης απορροής (Bs) και δείκτης μήκους-κλίσης ρέματος (SL). Οι τιμές των μορφοτεκτονικών δεικτών καταδεικνύουν ότι όλες οι ρηξιγενείς ζώνες είναι ενεργές και υπόκεινται σε υψηλό ρυθμό ανύψωσης σύμφωνα με τα διεθνώς παραδεκτά δεδομένα. Η ανάλυση με μεθόδους της Τεκτονικής Γεωμορφολογίας, που πραγματοποιήθηκε στις τέσσερις ρηξιγενής ζώνες της περιοχής μελέτης, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι όλες οι ζώνες μπορούν να χαρακτηρισθούν σαν υψηλής ενεργότητας. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων των παλαιοσεισμολογικών τομών διαπιστώθηκε ότι το Βόρειο Ρήγμα Καπαρελλίου παρουσιάζει συνεχή τεκτονική δραστηριότητα. Σε μια περιοχή όπως ο ευρύτερος Αιγιακός χώρος, η μελέτη του αναγλύφου με τη χρήση μορφοτεκτονικών παραμέτρων μπορεί να αποτελέσει οδηγό για την κατανόηση των επιφανειακών επιπτώσεων των σεισμών επί του ανάγλυφου. / The study area is located in the easternmost sector of the Gulf of Corinth, the Beotia area in SE Central Greece, which is an area with active normal faults located between two major rift structures of Central Greece, the Gulf of Corinth and the South Gulf of Evia. The Gulf of Corinth is an active rift with high rates of uplift and high seismicity, on the contrary the South Gulf of Evia is an area with low rates of uplift, compared with the Gulf of Corinth, moderate seismicity but with strong seismic events. The research is focused on four fault zones, which are described from west to east: the Neochori-Leontari, the Livadostras-Kaparelli, the Erithres-Dafnes and the Kallithea-Asopia fault zones with lengths from ~18 km to ~27 km. Each one of the fault zones consist from a number of discrete main faults with lengths ranging from ~7 to ~15 km. The purpose of this study is to analyze the drainage pattern and landscape evolution in order to evaluate the tectonic activity and the fault growth within the actively deformed easternmost sector of the Gulf of Corinth. In order to achieve this aim, a variety of morphotectonic parameters is used additionally with detailed mapping of faults to refine geometry and evolution of fault systems in the study area. In addition, we used G.I.S. techniques to estimate the morphotectonic parameters. In addition, three palaeoseismological trenches were excavated across the Kaparelli fault scarp, in order to understand the seismic history of the Kaparelli normal fault that ruptured during the March 1981 Gulf of Corinth earthquakes. All faults or fault zones analyzed in this study control a basin and range topography accommodating the current extension in the South Sterea Hellas region. These faults follow two trends: ENE to NE and WNW to E-W. The former fault system prevails in western Greece, with Rio Graben as a typical structure controlled by these faults. In eastern Peloponnese and south Sterea Hellas this fault system appears to be weaker. The Livadostras, Neochori and Dafnes faults belong to this fault trend. The WNW to E-W trending faults control a series of typical grabens, like the Gulf of Corinth, Tithorea, Sperchios-Atalanti as well as the Thiva graben. The Kaparelli, Leontari, Tanagra, Kallithea, Asopia, Kirikion and Erithres faults belong to this fault trend. All mentioned faults are organized in fault zones. It is also commonly observed that faults belonging to the two fault trends show a physical or mechanical linkage and thus in the same fault zone both fault trends are included. The results of this study shows that vertical motions and tilting associated with normal faulting influence the drainage geometry and its development. Values of stream-gradient indices (SL) are relatively high close to the fault traces of the studied fault zones suggesting high activity. Mountain-front sinuosity (Smf) mean values along the fault zones ranges from 1.08 to 1.26. Valley floor width to valley height ratios (Vf) mean values along the studied fault zones range between 0.5 and 1.6. Drainage basin shape (BS) mean values along the fault zones range from 1.87 to 3.54. Drainage density (Dd) mean values along the studied fault zones range from 1.56 to 5.65. All these morphotectonic parameters and geomorphological data suggest that the analyzed normal faults are highly active. Although fault zones controlling the Thiva Basin show lateral growth both westwards and eastwards, in several cases the tendency for eastward lateral growth is more predominant. The analyzed trenches expose evidence of at least three events, for the past 10,000 years, with the 1981 event included. Displacements per event on different fault segments within the trenches vary between 0.7 and 1 m. Average vertical displacements associated with interpreted paleoearthquakes at the trench site are in the order of 2.7 m. Average slip rates derived from the trenches is in the order of c. 0,3 mm/yr.

abstract: Shallow earthquakes in the upper part of the overriding plate of subduction zones can be devastating due to their proximity to population centers despite the smaller rupture extents than commonly occur on subduction megathrusts that produce the largest earthquakes. Damaging effects can be greater in volcanic arcs like Java because ground shaking is amplified by surficial deposits of uncompacted volcaniclastic sediments. Identifying the upper-plate structures and their potential hazards is key for minimizing the dangers they pose. In particular, the knowledge of the regional stress field and deformation pattern in this region will help us to better understand how subduction and collision affects deformation in this part of the overriding plate. The majority of the upper plate deformation studies have been focused on the deformation in the main thrusts of the fore-arc region. Study of deformation within volcanic arc is limited despite the associated earthquake hazards. In this study, I use maps of active upper-plate structures, earthquake moment tensor data and stress orientation deduced from volcano morphology analysis to characterize the strain field of Java arc. In addition, I use sandbox analog modeling to evaluate the mechanical factors that may be important in controlling deformation. My field- and remotely-based mapping of active faults and folds, supplemented by results from my paleoseismic studies and physical models of the system, suggest that Java’s deformation is distributed over broad areas along small-scale structures. Java is segmented into three main zones based on their distinctive structural patterns and stress orientation. East Java is characterized by NW-SE normal and strike-slip faults, Central Java has E-W folds and thrust faults, and NE-SW strike-slip faults dominate West Java. The sandbox analog models indicate that the strain in response to collision is partitioned into thrusting and strike-slip faulting, with the dominance of margin-normal thrust faulting. My models test the effects of convergence obliquity, geometry, preexisting weaknesses, asperities, and lateral strength contrast. The result suggest that slight variations in convergence obliquity do not affect the deformation pattern significantly, while the margin shape, lateral strength contrast, and perturbation of deformation from asperities each have a greater impact on deformation. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2016

東部インドネシアには，太平洋プレートとオーストラリアプレートの相対運動に起因する大規模な左横ずれ断層帯が発達する．この断層帯の地震地質学的な情報は限られており，地震災害軽減の大きな障壁となっていた．本研究では，スラウェシ島やバンダ弧の島々において，変動地形調査・古地震調査・物理探査を行った．各調査地域で詳細な活断層分布図を作成し，断層の変位速度や平均活動間隔，最近の大地震の時期を明らかにした．その結果，将来起こりうる地震の規模が推定され，また近い将来に地震が発生する可能性の高い地域が見いだされた． / In eastern Indonesia, the relative motion between the Pacific and Australian plates is accommodated by a large left-lateral strike-slip fault system. The lack of geologic information on the fault system has been a significant barrier to understanding the seismic hazard posed by this fault system. This study integrates tectonic geomorphic, paleoseismic, and shallow geophysics investigations to uncover the faulting and seismic behavior of the fault system, focusing on central Sulawesi and the northern Banda Arc. This study provides detailed active fault map of each investigated area and clarifies slip rates, average recurrence interval, and timing of the recent large earthquakes. This study also estimates the seismic potential of the active faults and highlights the areas with a high possibility of hosting large earthquakes in the future. / 博士(理学) / Doctor of Philosophy in Science / 同志社大学 / Doshisha University