Sismicidad y el ciclo sísmico Además de ser un componente fundamental de la tectónica de placas, la convección del manto, y el evolución geoquímica de la Tierra, las zonas de subducción constituyen el principal principal lugar de muchos tierra sólida peligros. Los movimientos de de las placas al lado de otros a saber, no es afluente proceso, sino que más bien incluye largos períodos en el que las placas de "Stick" y períodos cortos en los que "deslizamiento", el llamado mecanismo de stick-slip [Brace y Byerlee, 1966 ]. Durante estos períodos de "deslizamiento", las placas se mueven pasado muy rápido entre sí, lo que conduce a la radiación de las ondas sísmicas que sacuden la tierra sobre la cual vivimos. La presencia global de estos terremotos se destaca la ubicación de los límites de placas, por el que se presenta con mayor desplazamiento (Figura 1.2). Los terremotos suelen ser vistos como un proceso elástico no disipativo en el que los desplazamientos se acumuló lentamente a lo largo de una falla (parcialmente) cerrado (es decir, el período intersísmico, o parte "pegarse"). Durante deslizamiento rápido, estas cepas son liberados en cuestión de segundos o minutos, de manera que todos los desplazamientos finalmente ponerse al día con la tasa de deslizamiento de gran eld, y la deformación está totalmente recuperado (es decir, el período cosísmico) [por ejemplo, Reid, 1910]. Los iniciados del terremoto cuando las tensiones en conjunto superan la fuerza de un material. Esto da lugar a rotura frágil, que es continuo en los medios de comunicación a menudo representada por su variante de temperatura y presión más alta; insuficiencia de plástico. Después de un terremoto, las réplicas y el deslizamiento de transitorios pueden ocurrir durante meses, años o décadas (es decir, el período postseismic), antes (y si) se asienta el fallo a su estado de equilibrio intersísmico comportamiento de nuevo. Este punto de vista principalmente cinemática es apoyada por observaciones geodésicas de los desplazamientos de la superficie (Figura 1.3). En una configuración de la zona de subducción, esto significa que la placa superior se desplaza hacia la parte continental, elevando su trasero por ejemplo, cerca de la costa. Durante un terremoto la tierra se mueve hacia el mar, elevando de esta manera la parte delantera de cuña sedimentaria y potencialmente causar un tsunami. Los desplazamientos postseismic están dominadas por tres procesos que ocurren durante di ferentes rangos espaciales y temporales?; a) la continuación de deslizamiento (es decir, afterslip), que libera tensiones inducidas por la ruptura en su buzamiento arriba y al final downdip, b) la relajación viscoelástica de las tensiones inducidas en la litosfera y el manto, y c) volver a bloquear de la falla [por ejemplo, Wang et al., 2012]. Esto sugiere que, opuesta a la vista puramente elástica de un terremoto, necesitan la relajación viscosa de tensiones y el rendimiento permanente de rocas para ser considerado, así, para explicar las observaciones geodésicas temporales y los patrones de deformación a largo plazo [Wang et al., 2012 ; Baker et al., 2013].
Los terremotos no son aislados, episodios singulares, como se sugiere también por su abundancia en los siglos pasados sismicidad (Figura 1.2). Los terremotos representan más bien una secuencia de eventos que ocurren de nuevo en un segmento similar, que puede denominarse 'el ciclo sísmico'. El uso de la palabra "ciclo" a lo largo de esta tesis, sin embargo, no implica necesariamente una periodicidad jo, ni en tamaño ni en intervalo de recurrencia. Simplemente pone de relieve la continua acumulación y liberación de tensiones en grandes eventos, controlados dinámicamente dentro de un determinado segmento. Esto es importante porque el uso, y la existencia, de este término se puede considerar que hacer suposiciones acerca de un modelo de terremoto característico. Esto sugiere que los terremotos más grandes del segmento con dimensiones de espacio o de tamaño similar vuelva a ocurrir cuasi-periódica, que no está inequívocamente apoyada por observaciones. Si, y cómo mucho un resbalones de fallo y si tenía efecto y de una manera sísmica o aseismic, está determinada principalmente por sus parámetros de fricción y (pre-) los niveles de estrés. La fricción es por lo tanto un parámetro fundamental el control de la dinámica de los terremotos. Sin embargo, en la actualidad, no existe una teoría física que describe las propiedades de fricción de los primeros principios, por lo que dependen de las formulaciones empíricas derivadas de los experimentos de laboratorio. Hasta ahora estos experimentos claves han proporcionado una visión muy valiosa en la mecánica de rocas [por ejemplo, Brace y Byerlee, 1966] y se están convirtiendo cada vez más capaz de reproducir próximo a las condiciones naturales [por ejemplo, Di Toro et al, 2011.; den Hartog et al., 2012]. Actualmente, la formulación del estado de theart de fricción que ct mayoría de los experimentos es la fricción dependiente de la tasa y de estado [por ejemplo, Dieterich, 1979; Ruina, 1983]. En esta formulación, la fricción depende tanto de la velocidad instantánea de deslizamiento (en el que la fricción dinámica disminuye logarítmicamente a partir de una fricción estática) y una variable de estado dependiente del tiempo. En el estado de equilibrio, una variable de estado puede ser interpretada como la edad media de las zonas de contacto. Las formulaciones alternativas que son ampliamente utilizados incluyen una fricción fuertemente dependiente de la frecuencia, que ignora la historia de contactos microestructurales [por ejemplo, Burridge y Knopo? , 1967], y la fricción debilitamiento del resbalón, que en su lugar se debilita con la distancia deslizado [por ejemplo, Andrews, 1976]. La estabilidad de fricción de fallos determina si una inestabilidad es capaz para nuclear y crecer, y cuando el fallo se debilita con la tasa de deslizamiento (es decir, debilitamiento de velocidad), o si deslizamiento se estabiliza y se termina, como la falla fortalece con tasa de deslizamiento (es decir, el fortalecimiento de la velocidad ) [Scholz, 1998]. Las condiciones detalladas de estos regímenes de estabilidad y una extrapolación de los experimentos de laboratorio, sin embargo, encierran sus propios desafíos, entre otros, debido a la dependencia de los parámetros experimentales (mineralogía, tipo de muestra, la tasa de deslizamiento y la dirección paso a paso, la tensión normal, la temperatura, el contenido de agua) y la ampliación de la escala de muestras de laboratorio a pequeña escala a los valores naturales. Hasta donde sabemos, esta tesis es la primera para incluir una fricción dependiente tasa de deslizamiento para simular las inestabilidades del terremoto y posterior cicatrización como en los modelos geodinámicos (capítulo 3).
The seismic cycle at subduction thrusts: 1. Insights from laboratory models 2. La mayoría de momento sísmico mundial se produce en márgenes convergentes. En particular, la mayoría de 8,0 M terremotos se generan a lo largo del plano de falla inmersión suavemente (es decir, la megathrust subducción, figura 2.1) que representa la interfaz de fricción entre subducting y placas primordiales [por ejemplo, Scholz, 1990; Pacheco y Sykes, 1992; Dixon y Moore, 2007; McCa? Rey, 2007, 2008]. Estos terremotos se asocian con el movimiento downdip en curso de la litosfera subducting, lo que resulta en la deformación elástica de las placas adyacentes y la transferencia de tensión a través de la parte bloqueada de la subducción empuje en la placa superior. Si el estrés acumulado excede la resistencia de la interfaz de la placa, un deslizamiento de la falla brusca se produce, y parte de la energía elástica almacenada irradia en forma de ondas sísmicas. Todo el proceso, incluyendo la fase de acumulación de estrés, el alivio por el propio terremoto y procesos de relajación postseismic, se conoce como el "ciclo de subducción sísmica '[por ejemplo, Wang, 2007]. En este contexto, el ciclo de la palabra no implica ningún tipo de periodicidad de intervalo característico recurrencia o el tamaño del terremoto, sino más bien un patrón espacio-temporal de repetición. Métodos para el estudio del ciclo sísmico subducción incluyen estudios observacionales teledetección, geofísicas y geológicas de los márgenes convergentes [por ejemplo, Gagnon et al, 2005.; Grapenthin y Freymueller, 2011], así como numérica [por ejemplo, Wang, 2007; Kaneko et al., 2010] y el modelado analógico [por ejemplo, Rosenau et al., 2009]. Aunque se conocen las etapas generales del ciclo sísmico de subducción, muchos puntos críticos siguen siendo oscuros. ? Por ejemplo, el terremoto de magnitud máxima registrada en las zonas de subducción di erent en los registros instrumentales e históricos es muy variable [por ejemplo, rey McCa de 2008?; Heuret et al destacar la posibilidad de una propensión variable para acoger grandes acontecimientos [Marzocchi et al., 2011],., 2011]. Algunas zonas de subducción muestran una alta tasa de liberación de momento sísmico (por ejemplo, del Sur o del Este Chile Alaska), mientras que es muy baja en otros [por ejemplo, Egeo oriental Hyndman, 2007]. Aunque la velocidad de subducción parece ser uno de los factores de control más importantes para la actividad sísmica Interplate [por ejemplo, Bird et al, 2009.; Heuret et al]. De 2011, los mecanismos que regulan la frecuencia y el tamaño de los terremotos de megathrust aún no están claros [por ejemplo,? Rey McCa, 2008]. La cantidad de bloqueo interplacas varía tanto a nivel regional como a nivel local [por ejemplo, Moreno et al, 2010.; Freymueller et al., 2008], así como potencialmente temporalmente, y la identificación de los parámetros que controlan esta variabilidad es todavía un reto. Nuestro conocimiento de los parámetros que controlan el ciclo sísmico de subducción y la liberación de energía sísmica máxima está limitada por las siguientes restricciones: a) el comportamiento de la zona sismogénica sólo puede ser estudiada usando métodos indirectos, ya que la avería está enterrado y localiza principalmente o? orilla.
Esto proporciona sólo una instantánea de un largo plazo, el proceso de timedependent; b) el patrón de acumulación de la tensión a lo largo del empuje de subducción no puede ser constante a lo largo del ciclo sísmico; c) Los registros sísmicos instrumentales de las últimas décadas no proporcionan suficiente perspectiva temporal en la recurrencia de los grandes terremotos [por ejemplo, Satake y Atwater, 2007; McCa? Rey, 2008]. El problema no se resuelve por el uso de los registros geológicos / históricos que carecen de integridad y resolución; y d) nuestra comprensión del comportamiento de la subducción de empuje de fallo se basa en un mosaico de observación fusionada en di? márgenes convergentes erent que están actualmente en diferentes fases del ciclo sísmico, causando incertidumbres. A pesar de los supuestos inevitables que limitan el campo de aplicabilidad de los resultados finales, analógica y la modelización numérica pueden proporcionar pistas importantes sobre las características de pequeña escala / corto plazo y largo plazo a gran escala / de largo de la física terremoto. Los ejemplos incluyen las investigaciones sobre los procesos físicos que rigen la nucleación dinámico ruptura, el crecimiento, y detener [por ejemplo, Ben-David et al, 2010.; Nielsen et al, 2010], los factores de control de deslizamiento sísmica en un punto de un fallo [por ejemplo, Xia et al, 2004..; Lykotra tis et al., 2006], y el comportamiento de recurrencia [por ejemplo, Rubinstein et al., 2012b]. Modelos analógicos con geometrías realistas (es decir, en forma de cuña) apropiados para el estudio de los terremotos de subducción interplaca se dividen en las siguientes categorías: a) los experimentos puramente elástico de espuma de goma [por ejemplo, Brune, 1996] y b) modelos elasto-plásticos granulares [por ejemplo, Rosenau et al., 2009]. Los modelos de laboratorio Primera escala de los terremotos de subducción megathrust se han realizado por Rosenau et al. [2009], que utiliza materiales granulares analógicas (es decir, una mezcla de arroz, gránulos de caucho, y el azúcar) con propiedades de fricción y elásticas que se escalan consistentemente a partir del prototipo natural. Debido a la capacidad del modelo para simular la deformación elástica y plástica, este enfoque tiende un puente sobre el ciclo sísmico a corto plazo y el largo plazo la evolución tectónica de los márgenes convergentes [Rosenau et al., 2009] y permite estudiar la evolución tectónica de subducción forearc a través de múltiples ciclos sísmicos y evaluaciones inherentes. La capacidad de simular experimentalmente largo de series de tiempo de la deformación ciclo sísmico auto-consistente (es decir, cientos de ciclos) permitió explorar más a fondo de escala de los efectos del terremoto, como los tsunamis en una física basada, de manera probabilística [Rosenau et al., 2008a]. Debido a la falta de resolución temporal en el seguimiento de los experimentos, sin embargo, estos modelos no eran adecuados para investigar la dinámica de rupturas individuales. Por lo tanto, un modelo analógico, que combina las características del ciclo sísmico de subducción con visualizaciones experimentales de propagación de la ruptura a lo largo de las interfaces de fricción sigue desaparecido. Este tipo de modelo se bene social a la luz de las nuevas técnicas de observación de la naturaleza y la ocurrencia de varios eventos de megathrust recientes. Estos eventos entregan ejemplos principales (es
decir, la serie de tiempo de rotura de una calidad sin precedentes) que necesitan ser explicados por las nuevas teorías y experimentos. En este trabajo se presenta una nueva técnica experimental para estudiar el comportamiento de los ciclos múltiples terremotos de subducción. Esta técnica es parte de un intento más amplio de modelos que se aprovecha de analógico complementaria (este capítulo) y los enfoques de modelización numérica (capítulo 3). La principal ventaja de modelado analógico reside en el hecho de que un modelo construido adecuadamente evolucionado en respuesta a la física del sistema en las condiciones experimentales aplicadas. Sin embargo, los experimentos de laboratorio se enfrentan a limitaciones técnicas en el seguimiento y repetibilidad, en la disponibilidad limitada de materiales analógicos para reproducir reologías complejas, y en el control exacto de las condiciones de contorno. Por el contrario, los modelos numéricos tienen la ventaja de un enfoque cuantitativo directo y una flexibilidad considerable en la selección de los parámetros de la geometría, materiales y de sistema, así como su capacidad para, precisamente, las condiciones de frontera ne DE. Sin embargo, grandes capacidades computacionales son necesarios para simular las características geológicas realistas usando reologías complejos y / o la configuración en tres dimensiones. En particular, este tipo de modelos (tanto numérica y analógica) deben ser considerados como representaciones simplificadas de la naturaleza de la dificultad en la comprensión y la simulación del comportamiento de rozamiento. El objetivo de nuestro enfoque combinado es simular los ciclos múltiples terremotos interplacas subducción con una configuración sencilla analógica (por ejemplo, dejar de lado la temperatura, fuera de la culpa la plasticidad, la presión del fluido, metamorfismo de sedimentos, losa elastoplástico deformación) y validarlo con un modelo numérico. En este caso, se introduce el enfoque de modelado nuevo análogo para reproducir el ciclo terremoto interplacas subducción, incluyendo la carga realista tectónica, la nucleación espontánea de las inestabilidades de fricción (por ejemplo, terremotos analógicas), y la relajación viscoelástica de la litosfera. Nos primera describimos los métodos de laboratorio adoptadas para simular terremotos de subducción de empuje, incluidos los criterios de escala, las propiedades del material y seguimiento experimental. Presentamos a continuación las características generales de un experimento de referencia con el apoyo de una serie de ocho modelos adicionales. Ofrecemos las medidas de parámetros de la fuente terremoto analógicas en relación con eventos naturales, con el objetivo de demostrar que el modelo es capaz de reproducir las características del ciclo de sísmica Interplate que son comunes a muchos márgenes convergentes. La ciclicidad, la deformación durante el ciclo sísmico, parámetros de fallamiento, el comportamiento de ruptura, y sísmica momento duración escalamiento se analizan en detalle mediante la comparación de los resultados experimentales con los datos naturales. Por último, se incluye información detallada sobre la variabilidad y la repetibilidad de los resultados experimentales para reforzar la fiabilidad del nuevo enfoque. 2.2 Enfoque experimental
En este estudio, hemos seleccionado un material viscoelástico, piel de cerdo 2,5% en peso de gelatina, como un análogo de rock, ya que tiene las siguientes cualidades: a) las propiedades reológicas adecuada para simular el comportamiento de la roca de la litosfera escala reducida en condiciones de laboratorio en un campo de gravedad natural [Di Giuseppe et al., 2009a], y b) la ventaja de ser transparente, lo que permite el seguimiento de trazadores pasivos incluidos en los medios de comunicación y permitir la supervisión no intrusiva, continua del campo de velocidades interno durante la evolución del modelo. Utilizamos gelatina-on-papel de lija y las interfaces de gelatina-onplástico para simular la velocidad de debilitamiento y la velocidad de fortalecimiento comportamiento de fricción de la subducción de empuje falla, respectivamente. Monitoreo del experimento se realizó a través de velocimetría por imágenes de partículas (PIV) técnica [por ejemplo, Adrian, 1991], y la derivación de los parámetros de la fuente se realiza mediante un algoritmo ad hoc. 2.2.1 Propiedades reológicas de los materiales analógicas
Capitulo 3 Intruccion La física que rigen el ciclo sísmico en las zonas de subducción de actividad sísmica sigue siendo poco conocida debido a observaciones directas limitadas en el tiempo y el espacio. Para investigar la dinámica de la zona de subducción y la sismicidad asociada interplacas, validamos un continuo, modelo numérico visco-elasto-plástico con un nuevo enfoque de laboratorio (Capítulo 2). La configuración análoga laboratorio incluye una cuña de gelatina viscoelástico underthrusted por una placa rígida de ned velocidad de debilitamiento y fortalecimiento de las regiones. Nuestro enfoque de simulación geodinámico incluye la fricción velocidad de debilitamiento de manera espontánea generar una serie de inestabilidades de fricción rápidas que corresponden a los terremotos analógicas. Se obtiene un ajuste entre parámetros numéricos y fuente de laboratorio cuando se aplica la velocidad de fortalecimiento en las regiones antisísmicas para estabilizar la ruptura. La evolución espontánea de las tensiones absolutas conduce a la nucleación por coalescencia de parches vecinos, que se producen principalmente en la evolución de las asperezas cerca de los límites de la zona sismogenéticas. En consecuencia, una grieta-, o de vez en cuando incluso pulso-como, la ruptura se propaga hacia el lado opuesto de la zona sismogénico mediante el aumento de tensiones antes de su frente de la ruptura, hasta que se detiene en una barrera. Los desplazamientos superficiales resultantes cualitativamente de acuerdo con las observaciones geodésicas y muestran hacia la tierra y, desde cerca del límite downdip, los movimientos al alza intersísmico. Estos son rebote y revirtió coseismically. Este deslizamiento aumenta las tensiones adyacentes, que son postseismically relajado por afterslip y por lo tanto producen movimientos hacia el mar persistentes. La amplia gama de fenómenos físicos observados, incluyendo la propagación de ida y deslizamiento repetido, y el acuerdo con los resultados de laboratorio demuestran que los modelos geodinámicos viscoelasto-plástico con fricción dependiente de la frecuencia forman una nueva herramienta que puede contribuir en gran medida a nuestra comprensión del ciclo sísmico en las zonas de subducción.
