Application of Satellite Gradiometry and Terrestrial Gravimetry to Identify Regional Stress Anomalies in the North Chilean Subduction System

Gutknecht, Benjamin D.

The effect of the lithospheric density distribution on physical coupling of the subduction system in the area of the Central Andes (18°–35°S) has been investigated. Amongst the composition of the subducting oceanic plate and properties of the subduction interface itself, there has also been evidence that increased coupling of the system may be linked to excess masses above the descending plate. High plate coupling is associated with an increased risk for megathrust earthquakes which occur at respective locations when the accumulated stresses are released and dispersed as seismic energy. Methodological considerations, forward–modelling as well as GPE- and stress calculations – that base on the utilisation and interpretation of the gravity field and its gradient tensor – have been applied in order to examine and analyse the density- and stress distribution in the target area. Particular attention has also been paid to the evaluation of gravity data from the GOCE satellite mission, which, for the first time, provides near–globally measured full–tensor gradiometric data. Methodological analysis concerning the resolving capacity of gravity and gradiometry reveal that measured gravity gradients of the GOCE mission are just sensitive enough to receive information at the order of the expected coastal batholiths' gravity anomaly in North Chile. Those are believed to significantly affect coupling of the subduction system through their relative excess mass. Synthetic 3D density forward modelling of a standard subduction setting has been applied to further test the analysis. It confirms that density contrasts beyond resolvability for gravity data at the orbit height (~250 km) are just resolved in the gradient tensor and its invariants though. The spatial resolution of most recent potential field models that represent measurements from satellite missions is not better than spherical–harmonic degree and order (d/o) 300 (~67 km half–wavelength). This is still not sufficient for very detailed lithospheric or even crustal studies. It is mainly attributed to the signal–to–noise ratio conditions and to overlapping signals in the measurement systems at large distance to the source–masses. However, satellite-based data are virtually globally available and they are acquired and processed in homogeneous manner. They may therefore be consistently handled, analysed and interpreted. Terrestrial data, on the other hand, are strongly heterogeneously distributed, sometimes inadequately processed and meta-data is often not available. Their advantage is a good spatial resolution because of the short distance to the source–masses which allows the distinction of signals. When satellite–derived data are co–located with ground–based data, the respective advantages of both sets—homogeneous coverage and processing of satellite data and high resolution of terrestrial data—may be jointly utilized in one combined potential field model. Here, the combined regional gravity field model IMOSAGA01C has been employed which incorporates terrestrial gravity data of the Central Andes from more than 20 years and satellite–based data from the GOCO03S gravity field model. It has been used on a 6x6–minute (~11 km) grid at 8 km altitude to optimize a pre–existing 3D–density model of North Chile between 18–31.5°S and 66–73°W. By applying geometry adjustments and density inversion, the standard deviation of the residual anomaly could be reduced by 62.3% to 6.3X10e-5 m/s² for the model area. When also parts of the model area are considered that are not covered by terrestrial gravity data, this correspond to an overall error decrease by 68.7%. The adjusted geometry and density information of the density model served as an input to the computation of static stress anomalies on top of the subducting Nazca Plate. The interface–normal rotated component of the lithostatically–induced stress anomaly exhibits a clear segmentation of the forearc. It is characterized by a sequence of positive stress anomalies of up to 80 MPa along the coastal Jurassic batholith belt. It correlates well with the major seismicity of the active margin in North Chile and is attributed to mass excess in the continental crust and lithosphere above the subduction interface. A joint analysis with coupling coefficients from GPS–modelling revealed that positive stress anomalies in the order of 0–100 MPa act as an approximate threshold for the minimum plate coupling (in per cent) within the scope of the seismogenic zone between 18.75°S and 21.75°S. Thus, there must exist patches along the margin where the plate coupling is generally higher than in areas with less relative load (except co-seismic state). Furthermore, a systematic analysis in the area of the April 2014 megathrust earthquake offshore Pisagua/Iquique revealed that coupling and stress anomalies in the area of the fracture plane form virtual loops in their common parameter–space. This could be understood as a strong indicator for the validity of the stress–induced coupling hypothesis. In the future, this finding could help to better understand the seismo–periodic state of a subduction system. This work comes to the conclusion that potential field data from the GOCE mission, despite its high sensitivity, must be understood to reside at the very edge of an appropriate resolution for detailed lithospheric studies. The IMOSAGA01C combined gravity field model however, which collocates the satellite– and surface–based gravity data, clearly outperforms the existing combined models in this regard. Hereby the quality of density models can be improved, which in turn leads to better constrained derivatives such as dynamic models or stress anomalies. From the latter it could finally be concluded that the hypothesis for the North Chile case is acceptable, that relative mass excess above the subducting Nazca Plate co–generates asperities with increased potential for megathrust earthquakes.

Mit der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Dichteverteilung kontinentaler Lithosphäre auf die physikalische Kopplung des Subduktionssystems im Bereich der Zentralanden (18°–35°S) untersucht. Neben der Beschaffenheit der subduzierenden ozeanischen Platte und den Eigenschaften der Grenzfläche der Subduktion selbst, gibt es Hinweise darauf, dass ein relativer Massenüberschuss oberhalb der abtauchenden Platte in Zusammenhang mit erhöhter Kopplung des Systems steht. Gleichzeitig erhöht sich die Gefahr durch Starkbeben, die an entsprechenden Lokationen auftreten, wenn die aufgebauten Spannungen an den Blockaden gelöst werden und in Form seismischer Energie freigesetzt werden. Methodische Überlegungen, Forwärtsmodellierungen, sowie GPE- und Stressberechnungen, die auf der Interpretation des Schwerefeldes und seines Gradiententensors beruhen, wurden angewendet, um die Dichte- und Stressverteilung im Untersuchungsgebiet näher zu bestimmen und zu analysieren. Ein besonderes Augenmerk lag auch auf der Evaluierung der Schweredaten der Satellitenmission GOCE, welche erstmals gemessene gradiometrische Daten des gesamten Schwere–Tensors nahezu global zur Verfügung stellte. Methodische Analysen zum Auflösungsvermögen der Schwere– und Gradiometrie–Daten ergaben, dass die gemessenen Gradienten der GOCE Mission hinreichend sensitiv sind, um Informationen in der Größenordnung der erwarteten Schwereanomalie der Küstenbatholithe in Nordchile zu registrieren. Es wird angenommen, dass diese durch ihren Massenüberschuss die Kopplung des Subduktionssystems signifikant beeinflussen. Die synthetische 3D-Dichtemodellierung eines standardisierten Subduktions-Settings wurde verwendet, um diese Überlegung zu überprüfen. Sie bestätigt das Ergebnis, dass Dichtekontraste, die sich für Schweredaten in Orbithöhe (~250 km) jenseits der Auflösbarkeit befinden, durch den Schweregradienten-Tensor und seine Invarianten hingegen gerade noch aufgelöst werden können. Die räumliche Auflösung aktueller Potenzialfeld–Modelle, welche Messungen von Satellitenmissionen wiedergeben, ist nicht besser als Grad/Ordnung 300 (~67 km Halbwellenlänge). Das ist für sehr detaillierte Studien der Lithosphäre oder Kruste noch unzureichend. Ursachen hierfür sind in erster Linie die Kondition des Signal–Rausch–Verhältnisses und sich überlagernde Signale im Messsystem bei großer Distanz zu den verursachenden Massen. Dafür sind Satelliten–basierte Daten quasi–global verfügbar und homogen aufgenommen. Sie können konsistent prozessiert, analysiert und interpretiert werden. Terrestrische Daten hingegen sind zumeist extrem heterogen verteilt, sehr unterschiedlich prozessiert und Metadaten stehen oft nicht zur Verfügung. Der Vorteil bei ihrer Verwendung liegt darin, dass sie aufgrund des geringen Abstandes zu den Quellen ein hohes räumliches Auflösungsvermögen haben und eine entsprechend klare Signaltrennung möglich ist. Die jeweiligen Vorteile beider Datenarten — homogene Aufnahme, Abdeckung und Prozessierung der Satellitendaten sowie hohe Auflösung der terrestrischen Daten — können in einer kombinerten Bearbeitung vereinigt werden, wenn beide Datensätze über Kollokation zusammengeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das kombinerte regionale Schwerefeldmodell IMOSAGA01C verwendet, welches terretrische Schweredaten aus mehr als 20 Jahren Bodenmessungen in den Zentralanden, sowie Satelliten-basierte Daten aus dem GOCO03S Schwerefeldmodell zusammenführt. Hier wurde ein 6x6–Minuten (~11 km) Grid in 8 km Höhe verwendet, um ein vorhandenes 3D Dichtemodell von Nordchile im Bereich 18–31.5°S und 66–73°W zu optimieren. Durch Anpassungen der Modellgeometrie und durch Dichte–Inversion konnte die Standardabweichung der Residualanomalie im Bereich der Modellierung um 62,3% auf 6.3x10e-5 m/s² gesenkt werden. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der Modellgebiete, die nicht mit terrestrischen Schweremessungen abgedeckt sind, entspricht dies einer Verbesserung um 68,7%. Die angepassten Geometrie– und Dichteinformationen des Dichtemodells dienten als Eingangsgrößen zur Berechnung statischer Stressanomalien auf der subduzierten Nazca–Platte. Die normal zur Subduktion rotierte Komponente der lithostatisch induzierten Stressanomalie weist eine deutliche Segmentierung des Forearcs auf. Diese zeichnet sich durch ein Band mit positiven Stressanomalien von bis zu 80 MPa im Bereich der Jurassischen Küstenbatholithe aus. Es korreliert mit der vorherrschenden Seismizität des aktiven Kontinentalrandes in Nordchile und ist auf Massenüberschüsse innerhalb der kontinentalen Kruste und Lithosphäre oberhalb der Subduktions-Grenzfläche zurückzuführen. Im Gebiet der seismogenen Zone zwischen 18.75°S und 21.75°S zeigte eine gemeinsame Analyse mit Kopplungs-Koeffizienten aus GPS–Modellen, dass positive Stressanomalien im Bereich 0–100 MPa jeweils als näherungsweise Schwellenwerte für die minimale Kopplung (in Prozent) eingesetzt werden können. Demnach muss es Regionen geben, in denen die Kopplung der Platten, bis auf den co-seismischen Zustand, ständig höher ist als in Regionen mit geringerer relativer Auflast. Darüber hinaus zeigte eine systematische Analyse im Bereich des Starkbebens von Pisagua/Iquique vom April 2014, dass Plattenkopplung und Stressanomalien innerhalb ihres gemeinsamen Parameterraumes für den Bereich der Bruchfläche über virtuelle Schleifen verknüpft sind. Dies kann als Kennzeichen für die Gültigkeit der These zur Stress–induzierten Kopplung gewertet werden. Diese Erkenntnis könnte zukünftig dabei helfen, den seismozyklischen Zustand eines Subduktionssystems besser zu verstehen. Die vorliegende Arbeit kommt zu dem Schluss, dass sich die Potenzialfeld–Daten der GOCE Mission trotz der hohen Sensitivität im Grenzbereich der notwendigen Auflösung für detaillierte Lithosphärenstudien liegen. Das kombinierte Schwerefeldmodell IMOSAGA01C hingegen, welches die Satelliten– und Boden–gestützten Schweredaten zusammenführt, übertrifft existierende kombinierte Modelle in dieser Hinsicht deutlich. Hierdurch lässt sich die Qualität der Dichtemodelle erhöhen, was zu einer besser validierten Zusatzinterpretation führt, wie zum Beispiel dynamische Modelle oder Stressanomalien zeigen. Aus letzteren konnte abgeleitet werden, dass die Hypothese, derzufolge relative Massenüberschüsse oberhalb der subduzierenden Nazca–Platte Asperities mit erhöhtem Gefährdungspotenzial für Starkbeben mitverursachen, für das Untersuchungsgebiet in Nordchile gültig ist.

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Gutknecht, Benjamin: Application of Satellite Gradiometry and Terrestrial Gravimetry to Identify Regional Stress Anomalies in the North Chilean Subduction System. 2015.

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