Active intraplate faulting in the forearc of North Central Chile (30_1hn_347 - 31_1hn_347 S) [Elektronische Ressource] : implications from neotectonic field studies, GPS data and elastic dislocation modeling / Geoforschungszentrum Potsdam. Vorgelegt von: Bertram Heinze

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• Publié le: 01 janvier 2003
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ISSN 1610-0956 Active Intraplate Faulting in the Forearc of North Central Chile
(30° 31° S)
Implications from Neotectonic Field Studies, GPS Data, and Elastic
Dislocation Modeling
Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
im Fachbereich Geowissenschaften
an der Freien Universität Berlin
vorgelegt von:
Bertram Heinze
begutachtet durch:
1Prof. O. Oncken
2Prof. Ch. Reigber
04. März 2003
1Freie Universität Berlin
2Universität PotsdamKurzfassung I
Kurzfassung
Im kontinentalen Forearc Nord Zentral Chiles (30° 31° S) ist eine hohe Konzentration von platten
randparallelen Störungen zu beobachten. Neotektonische Felduntersuchungen zeigen, daß die Mehr-
zahl dieser Sedimente der Plio Pleistozänen Schichtenfolgen verwerfen. Die Verwerfung
der Plio Pleistozänen Ablagerungen deutet an, dass die kontinentale Kruste aktiven Deformations
prozessen ausgesetzt ist. Die E W Deformation des Forearc seit dem Plio /Pleistozän kann auf der
Grundlage neotektonischer und bilanzierter Profile, sowie anhand von Dislokationsmodellen abge
schätzt werden. Mit Hilfe satellitengestützter Messungen des horizontalen Deformationsfeldes auf
der Basis von GPS Netzen (SAGA) wird versucht, die rezente Intraplattendeformation des Forearc
zu quantifizieren. Aufgrund periodisch wiederkehrender Starkbebenereignisse entlang der Platten
grenze wird vermutet, dass die krustale Deformation entscheidend von den Deformationsprozessen
innerhalb der Subduktionszone beeinflusst wird.
Der kontinentale Forearc zwischen 30° 31° südlicher Breite setzt sich aus einer stark herausge
hobenen Küstenkordillere im Westen und einem mit känozoischen Sedimenten gefüllten Becken im
Osten zusammen. Diese strukturellen Einheiten werden durch eine 60km lange und ca. 65° nach
Osten einfallende Störung, der Puerto Aldea Fault, voneinander getrennt. Darüber hinaus wird das
känozoische Becken intern durch zahlreiche N S streichende und vorwiegend nach Osten einfallende
Störungen deformiert. Zahlreiche Geländebefunde und die Ergebnisse der elastischen Dislokations
modellierung erklären die beschriebene Deformation entlang dieser Intraplattenstörungen mit Hilfe
koseismischer Relaxationsbewegungen in krustalen Tiefen von10¡20km. Vertikale Versatzbeträge
von 2¡5m geben Hinweise auf quartäre Beben, die aufgrund ihrer Magnitude (M 7) mit grosserw
Wahrscheinlichkeit die Kruste durchschlagen haben. Eine Vielzahl geomorphologischer Aspekte, z.B.
gehobene marine Terrassen und Abrasionsplattformen, stark hervortretende Störungsmorphologien,
Hangrutsche, (Thermal )Quellaustritte in unmittelbarer Umgebung von Störungsbahnen und ein in
weiten Teilen tektonisch kontrolliertes natürliches Drainagesystem lassen die Schlussfolgerung zu,
dass die beobachtete Intraplattendeformation im Arbeitsgebiet rezent aktiv ist. Seit dem Einsetzen
des jüngsten Deformationsregimes, zur Zeit des Plio Pleistozäns, wanderte die Zone der grössten In
traplattendeformation von Osten nach Westen und befindet sich heute ca. 40¡45km landeinwärts
der Küstenlinie. Geomorphologische Untersuchungen an jungen Verwerfungsabstürzen (fault scarps)
in diesem Gebiet ergeben jung Pleistozäne Holozäne Störungsalter10( ¡84kaBP).
Die Ergebnisse der Störungsflächenanalyse zeigen, dass während des Plio /Pleistozäns das Ar-
beitsgebiet einer dominanten ENE WSW gerichteten Extension und einer untergeordneten NNW-
SSE orientierten Kontraktion unterworfen war. Die Auswertung der kinematischen Daten mit Hil
fe der Störungsflächenanalyse weist darauf hin, dass beide Deformationstypen gleichzeitig wirksam
waren. Die Grössenordnung der E W Dehnung, abgeleitet aus der neotektonischen Analyse und
der krustalen Bilanzierung des 25km breiten Forearcs, liegt bei 0.6 3.3%, bezogen auf die letzten
¡11:2¡6:5Ma. Resultierende Deformationsraten variieren zwischen0:001¡0:028„straina . Aus
dem Residualfeld der GPS Geschwindigkeiten können fast identische Extensionsrichtungen (ENE
WSW) und Kontraktionsrichtungen (NNW SSE) abgeleitet werden, wie aus der Störungsflächenana
¡1lyse. Die aus GPS Messungen abgeleiteten E W Dehnungsraten erreichen0:038§0:018„straina .
Unter Berücksichtigung der geodätischen und der Annahme der Konservierung desII Kurzfassung
geodätischen Moments entlang der Puerto Aldea Fault ergeben sich Wiederkehrperioden von 500
1500 Jahren für Erdbeben der StärkeM 7 an dieser Störung.w
Mit Hilfe eines einfachen Dislokationsmodells der Subduktionszone können vertikale und hori
zontale Versatzbeträge, die aufgrund starker Subduktionsbeben im kontinentalen Forearc auftreten,
abgeschätzt werden. Am Beispiel des Illapel Bebens von 1943 (M 8.2) wird gezeigt, dass die Kü w
stenkordillere um bis zu0:4m herausgehoben wird, während der Bereich des känozoischen Beckens
eine geringere Heraushebung oder sogar Absenkung erfährt. Der horizontale Versatzbetrag erreicht in
den äussersten Küstenbereichen bis zu0:8m in wsw Bewegungsrichtung. Die durch Subduktionsbe
ben auf den kontinentalen Forearc umgelagerte Deformation erzeugt, ähnlich den aus der neotektoni
schen Strukturanalyse und den GPS Residualgeschwindigkeiten abgeleiteten Dehnungshauptachsen,
E W gerichtete Dehnung und N S gerichtete Kontraktion im Arbeitsgebiet. Die zusätzliche Bean
spruchung der Intraplattenstörungen durch die Umlagerung von Deformation und Spannung im Zu
sammenhang mit starken Subduktionsbeben verringert die Wiederkehrperiode für Intraplattenbeben
der Stärke (M 7) um40¡100Jahre.w
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die im kontinentalen Forearc beobachtete Deformation
in engem Zusammenhang mit grundlegenden tektonischen Prozessen entlang der Plattengrenze steht.
Unter Hinzuziehung der Ergebnisse vorangegangener Autoren wird deutlich, dass die hier beschrie
bene Intraplattendeformation über das Arbeitsgebiet hinaus an verschiedenen Schlüsselstellen mit
vergleichbarer struktureller Ausprägung (z.B. Mejillones, Caldera und Arauco Halbinseln) in ähnli
cher Form zu beobachten ist. Die offensichtliche Gültigkeit der beschriebenen Forearc Deformation
über sich ändernde plattentektonische Rahmenbedingungen hinweg gibt Anlass zu der Vermutung,
dass singuläre Prozesse, wie z.B. das Abtauchen ozeanischer Rücken oder die Verschluckung mächti
ger Sedimentpakete als alleinige Ursache für die Hebungsprozesse entlang der chilenischen Küste in
Frage gestellt werden müssen. Stattdessen ist der Abstand der Küstenlinie zum Tiefseegraben, bzw.
die Lage des kontinentalen Forearc in Bezug auf die seismisch gekoppelten Bereiche der Subdukti
onszone als entscheidendes Kriterium in diesem Zusammenhang heranzuziehen. Ein übergreifendes
Erklärungsmodell bietet das Zusammenspiel von grabenwärtiger Migration des südamerikanischen
Kontinents mit aufwärtsgerichteter Translation und basaler Erosion des kontinentalen Forearc ent
lang der Plattengrenze. Eine Translation des Forearc könnte zu dessen Heraushebung und zur Aus
bildung der nach Osten einfallenden Intraplattenstörungen führen, während die basale Erosion den
Kontinentalhang übersteilen und zu dessen Kollaps zwingen würde. Vorausgesetzt, diese Prozesse
stünden im Gleichgewicht zur grabenwärtigen Migration des südamerikanischen Kontinents, käme es
zur Herausbildung eines dynamischen Systems, das langfristig eine Konsumierung des kontinentalen
Forearc zur Folge hätte.Abstract III
Abstract
The continental forearc of North Central Chile (30° 31° S) is characterized by the overall abundance
of trench parallel crustal faults. Neotectonic field studies show that most of these faults ruptured
the Plio Pleistocene sedimentary cover. The displacement of Plio Pleistocene sediments indicates
that the continental crust along this stretch of the Chilean coast is subject to active deformation pro
cesses. The E W deformation in the forearc during Plio Pleistocene times is approximated based on
neotectonic and balanced profiles, and by simple dislocation models. By means of space geodetic
measurements of the horizontal displacement field (SAGA Network), I attempted to quantify the
present day intraplate deformation rates within the forearc. As a result of periodically reoccurring
megathrust events along the plate interface, it is assumed that the observed crustal deformation is
largely controlled by deformation processes within the subduction zone.
The continental forearc between 30° 31° S latitude mainly consists of the Coastal Cordillera in
the west and a basin filled with Cenozoic deposits in the central and eastern part, separated by the
prominent Puerto Aldea Fault. In addition, the Cenozoic Basin is internally dissected by numerous
N S striking, predominantly 65° E dipping intraplate normal faults of up to60km length. Abun
dant field evidence and results from elastic d