Julius Jara Muñoz

• Rapidly uplifting coastlines are frequently associated with convergent tectonic boundaries, like subduction zones, which are repeatedly breached by giant megathrust earthquakes. The coastal relief along tectonically active realms is shaped by the effect of sea-level variations and heterogeneous patterns of permanent tectonic deformation, which are accumulated through several cycles of megathrust earthquakes. However, the correlation between earthquake deformation patterns and the sustained long-term segmentation of forearcs, particularly in Chile, remains poorly understood. Furthermore, the methods used to estimate permanent deformation from geomorphic markers, like marine terraces, have remained qualitative and are based on unrepeatable methods. This contrasts with the increasing resolution of digital elevation models, such as Light Detection and Ranging (LiDAR) and high-resolution bathymetric surveys. Throughout this thesis I study permanent deformation in a holistic manner: from the methods to assess deformation rates, to theRapidly uplifting coastlines are frequently associated with convergent tectonic boundaries, like subduction zones, which are repeatedly breached by giant megathrust earthquakes. The coastal relief along tectonically active realms is shaped by the effect of sea-level variations and heterogeneous patterns of permanent tectonic deformation, which are accumulated through several cycles of megathrust earthquakes. However, the correlation between earthquake deformation patterns and the sustained long-term segmentation of forearcs, particularly in Chile, remains poorly understood. Furthermore, the methods used to estimate permanent deformation from geomorphic markers, like marine terraces, have remained qualitative and are based on unrepeatable methods. This contrasts with the increasing resolution of digital elevation models, such as Light Detection and Ranging (LiDAR) and high-resolution bathymetric surveys. Throughout this thesis I study permanent deformation in a holistic manner: from the methods to assess deformation rates, to the processes involved in its accumulation. My research focuses particularly on two aspects: Developing methodologies to assess permanent deformation using marine terraces, and comparing permanent deformation with seismic cycle deformation patterns under different spatial scales along the M8.8 Maule earthquake (2010) rupture zone. Two methods are developed to determine deformation rates from wave-built and wave-cut terraces respectively. I selected an archetypal example of a wave-built terrace at Santa Maria Island studying its stratigraphy and recognizing sequences of reoccupation events tied with eleven radiocarbon sample ages (14C ages). I developed a method to link patterns of reoccupation with sea-level proxies by iterating relative sea level curves for a range of uplift rates. I find the best fit between relative sea-level and the stratigraphic patterns for an uplift rate of 1.5 +- 0.3 m/ka. A Graphical User Interface named TerraceM® was developed in Matlab®. This novel software tool determines shoreline angles in wave-cut terraces under different geomorphic scenarios. To validate the methods, I select test sites in areas of available high-resolution LiDAR topography along the Maule earthquake rupture zone and in California, USA. The software allows determining the 3D location of the shoreline angle, which is a proxy for the estimation of permanent deformation rates. The method is based on linear interpolations to define the paleo platform and cliff on swath profiles. The shoreline angle is then located by intersecting these interpolations. The accuracy and precision of TerraceM® was tested by comparing its results with previous assessments, and through an experiment with students in a computer lab setting at the University of Potsdam. I combined the methods developed to analyze wave-built and wave-cut terraces to assess regional patterns of permanent deformation along the (2010) Maule earthquake rupture. Wave-built terraces are tied using 12 Infra Red Stimulated luminescence ages (IRSL ages) and shoreline angles in wave-cut terraces are estimated from 170 aligned swath profiles. The comparison of coseismic slip, interseismic coupling, and permanent deformation, leads to three areas of high permanent uplift, terrace warping, and sharp fault offsets. These three areas correlate with regions of high slip and low coupling, as well as with the spatial limit of at least eight historical megathrust ruptures (M8-9.5). I propose that the zones of upwarping at Arauco and Topocalma reflect changes in frictional properties of the megathrust, which result in discrete boundaries for the propagation of mega earthquakes. To explore the application of geomorphic markers and quantitative morphology in offshore areas I performed a local study of patterns of permanent deformation inferred from hitherto unrecognized drowned shorelines at the Arauco Bay, at the southern part of the (2010) Maule earthquake rupture zone. A multidisciplinary approach, including morphometry, sedimentology, paleontology, 3D morphoscopy, and a landscape Evolution Model is used to recognize, map, and assess local rates and patterns of permanent deformation in submarine environments. Permanent deformation patterns are then reproduced using elastic models to assess deformation rates of an active submarine splay fault defined as Santa Maria Fault System. The best fit suggests a reverse structure with a slip rate of 3.7 m/ka for the last 30 ka. The register of land level changes during the earthquake cycle at Santa Maria Island suggest that most of the deformation may be accrued through splay fault reactivation during mega earthquakes, like the (2010) Maule event. Considering a recurrence time of 150 to 200 years, as determined from historical and geological observations, slip between 0.3 and 0.7 m per event would be required to account for the 3.7 m/ka millennial slip rate. However, if the SMFS slips only every ~1000 years, representing a few megathrust earthquakes, then a slip of ~3.5 m per event would be required to account for the long- term rate. Such event would be equivalent to a magnitude ~6.7 earthquake capable to generate a local tsunami. The results of this thesis provide novel and fundamental information regarding the amount of permanent deformation accrued in the crust, and the mechanisms responsible for this accumulation at millennial time-scales along the M8.8 Maule earthquake (2010) rupture zone. Furthermore, the results of this thesis highlight the application of quantitative geomorphology and the use of repeatable methods to determine permanent deformation, improve the accuracy of marine terrace assessments, and estimates of vertical deformation rates in tectonically active coastal areas. This is vital information for adequate coastal-hazard assessments and to anticipate realistic earthquake and tsunami scenarios.…
• Küstenregionen, die von schnellen Hebungsraten gekennzeichnet sind, werden häufig mit konvergierenden Plattengrenzen assoziiert, beispielsweise mit Subduktionszonen, die wiederholt von Mega-Erdbeben betroffen sind. Das Küstenrelief tektonisch aktiver Gebiete formt sich durch die Effekte von Meeresspiegelschwankungen und die heterogenen Muster der permanenten tektonischen Deformation, die im Zuge von mehreren Erdbebenzyklen entstand. Jedoch die Korrelation zwischen den Deformationsmustern von Erdbeben und der langfristig anhaltenden Segmentation der ‚Forearcs’ ist noch wenig erforscht, insbesondere in Chile. Darüber hinaus sind die Methoden zur Schätzung der permanenten Deformation geomorphologischer Marker, wie beispielsweise mariner Terrassen, lediglich qualitativ oder basieren nicht auf wiederholbaren Messungen. Dies steht im Kontrast zu der mittlerweile höheren Auflösung verfügbarer digitaler Geländemodelle, die z.B. mit LiDAR (Light Detection and Ranging) oder durch hochauflösende bathymetrische Studien gewonnen werden. Im RahmenKüstenregionen, die von schnellen Hebungsraten gekennzeichnet sind, werden häufig mit konvergierenden Plattengrenzen assoziiert, beispielsweise mit Subduktionszonen, die wiederholt von Mega-Erdbeben betroffen sind. Das Küstenrelief tektonisch aktiver Gebiete formt sich durch die Effekte von Meeresspiegelschwankungen und die heterogenen Muster der permanenten tektonischen Deformation, die im Zuge von mehreren Erdbebenzyklen entstand. Jedoch die Korrelation zwischen den Deformationsmustern von Erdbeben und der langfristig anhaltenden Segmentation der ‚Forearcs’ ist noch wenig erforscht, insbesondere in Chile. Darüber hinaus sind die Methoden zur Schätzung der permanenten Deformation geomorphologischer Marker, wie beispielsweise mariner Terrassen, lediglich qualitativ oder basieren nicht auf wiederholbaren Messungen. Dies steht im Kontrast zu der mittlerweile höheren Auflösung verfügbarer digitaler Geländemodelle, die z.B. mit LiDAR (Light Detection and Ranging) oder durch hochauflösende bathymetrische Studien gewonnen werden. Im Rahmen dieser Dissertation wird die permanente Deformation einer ganzheitlichen Betrachtung unterzogen, die von den zu Grunde liegenden Methoden zur Bestimmung der Deformationsraten bis hin zu den involvierten Prozessen bei deren Akkumulation reicht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf zwei Aspekte gerichtet: Einerseits die Entwicklung von Methoden zur Messung permanenter Deformation anhand von marinen Terrassen, und andererseits der Vergleich zwischen permanenter Deformation und Deformationsmustern des seismischen Zyklus anhand unterschiedlicher räumlicher Ausmaße entlang der Bruchzone des M8.8 Maule (2010) Erdbebens entstanden. Es werden zwei Methoden zur Bestimmung der Deformationsraten von ’wave-built’ und ‘wave-cut’ Terrassen entwickelt. Ein archetypischer Beispiel einer ‘wave-built’ Terrasse wird auf der Insel Santa Maria untersucht. Durch die detaillierte Studie der Sedimentabfolge, werden wiederkehrende Ereignisse der Reaktivierung der Terrasse identifiziert, die anhand von Messungen an Kohlenstoffisotopen (C14- Datierung) von 11 Proben zeitlich eingegrenzt werden. Es wird eine Methode entwickelt, um solche Reaktivierungsmuster mit Meeresspiegelindikatoren in Verbindung zu bringen, wobei die relativen Meeresspiegelkurven mit einer Reihe von Hebungsraten korreliert werden. Die beste Korrelation zwischen Meeresspiegelschwankungen und dem stratigrafischen Muster wird unter Berücksichtigung einer Hebungsrate von 1.5 ± 0.3 m/ka erreicht. Unter Verwendung der Software Matlab® wird die grafische Benutzeroberfläche TerraceM® entwickelt. Diese neue Methode erlaubt die Bestimmung von Küstenwinkels in ‘wave-cut’ Terrassen in verschiedenen geomorphischen Szenarien. Zur Validierung der Methoden werden Regionen entlang der Bruchzone des Maule-Erdbebens und in Kalifornien ausgewählt, für die hochauflösende LiDAR-Daten der Topografie zur Verfügung stehen. Die Software ermöglicht es, den 3D Standort des Küstenwinkels zu bestimmen, der als Proxy für die Schätzung permanenter Deformationsraten fungiert. Dabei nutzt die Methode lineare Interpolation um die Paleo Plattform und die Klippen mit Swath Profilen zu definieren. Im Anschluss wird der Küstenwinkel durch die Überschneidung dieser Interpolationen lokalisiert. Die Genauigkeit und Robustheit von „TerraceM“ wird durch den Vergleich der Ergebnisse mit denen vorangegangener Untersuchungen überprüft. Um regionale Muster permanenter Deformationen entlang der (2010) Maule Bruchzone zu untersuchen werden die Methoden für die ‚wave-built’ und ‚wave-cut’ Terrassen kombiniert. ‘Wave-built’ Terrassen werden mittels 12 Infrarot-Optisch-Stimulierten Lumineszenz (IRSL) Proben datiert, während die Küstenwinkel der ‘wave-cut’ Terrassen anhand von 170 abgestimmten SWATH-Profilen geschätzt wurden. Durch den Vergleich von co-seismischem Versatz, interseismischer Kopplung und permanenter Deformation ergaben sich drei Gebiete mit hoher permanenter Erhebung, Terrassenkrümmung und abruptem, störungsbedingtem Versatz. Diese drei Gebiete korrelieren mit Regionen von hohem Versatz und niedriger Kopplung, sowie mit der räumlichen Begrenzung der Bruchzonen von mindestens acht historischen Mega-Erdbeben. Es wird argumentiert, dass die ansteigenden Zonen bei Arauco und Topocalma Änderungen der Reibungseigenschaften von Mega-Erdbeben widerspiegeln, was diskrete Grenzen für die Ausbreitung von Mega-Erdbeben zur Folge hat. Ein weiterer Beitrag dieser Dissertation ist die lokale Untersuchung permanenter Deformationsmuster von bislang unbekannten überflutete Küstenlinien in der Arauco-Bucht bei der Santa Maria Insel, die ebenfalls vom Maule Erdbeben betroffen wurde. Ein multidisziplinärer Ansatz wird verwendet, um lokale Muster permanenter Deformation in submarinen Umgebungen zu erkennen, abzubilden und zu untersuchen. Dabei kommen Morphometrie, Sedimentologie, Paläontologie, 3D Morphoskopie und ein Landschafts-Entwicklungs-Model zum Einsatz. Permanente Deformationsmuster werden anhand eines elastischen Models nachgebildet und bestimmen die Deformationsraten einer aktiven, submarinen Aussenstörung (‘splay fault’), die als Santa Maria Störungszone definiert wird und durch eine Versatzrate von 3.7 m/ka für die letzten 30 ka charakterisiert ist. Die Aufzeichnungen zu Veränderungen der Elevation der Erdoberfläche während des Santa Maria Erdbebenzyklus deuten darauf hin, dass der wesentliche Teil der Deformation auf die Reaktivierung einer ‘Splay Fault’ während Mega-Erdbeben (wie z.B. das Maule (2010) Erdbeben) zurückzuführen ist. Allerdings die Sismizität in geringer Tiefe, die während der letzten zehn Jahre vor dem Maule-Erdbeben registriert wurde, deutet auf vorübergehende Störungsaktivität in der interseismischen Phase hin. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern neuartige und fundamentale Daten bezüglich der Menge und Mechanismen der Akkumulierung permanenter Deformation in der Erdkruste über mehrere tausend Jahre hinweg in der Region des M8.8 Maule Erdbebens (2010). Die in dieser Dissertation präsentierten neuen Methoden zur Charakterisierung permanenter Deformation mithilfe von geomorpologischen Küstenmarkern bieten einen breiteren quantitativen Ansatz zur Interpretation aktiver Deformation dar und können somit zu einem besseren Verständnis der Geologie in tektonisch aktiven Küstengebieten beitragen.…
• Las regiones costeras tectónicamente activas están generalmente asociadas con zonas de subducción, las cuales son recurrentemente afectadas por megaterremotos de gran magnitud. El relieve costero es modelado por el efecto combinado de variaciones eustáticas y patrones de alzamiento tectónico heterogéneos, los cuales son acumulados luego de varios ciclos de megaterremotos. Sin embargo, la correlación entre los patrones de deformación asociados a megaterremotos y la persistente segmentación de las zonas de antearco, especialmente en Chile, no han sido aún entendidos del todo. Por otra parte, los métodos normalmente usados para estimar deformación permanente y basados en marcadores geomorfológicos, como las terrazas marinas, han permanecido basados en aproximaciones cualitativas y no repetibles. Esta situación es contrastante con el rápido avance de modelos de elevación digital de alta resolución como Light Detection and Ranging (LiDAR) y batimetrías de última generación. A lo largo de esta tesis me enfoco en estudiar la deformaciónLas regiones costeras tectónicamente activas están generalmente asociadas con zonas de subducción, las cuales son recurrentemente afectadas por megaterremotos de gran magnitud. El relieve costero es modelado por el efecto combinado de variaciones eustáticas y patrones de alzamiento tectónico heterogéneos, los cuales son acumulados luego de varios ciclos de megaterremotos. Sin embargo, la correlación entre los patrones de deformación asociados a megaterremotos y la persistente segmentación de las zonas de antearco, especialmente en Chile, no han sido aún entendidos del todo. Por otra parte, los métodos normalmente usados para estimar deformación permanente y basados en marcadores geomorfológicos, como las terrazas marinas, han permanecido basados en aproximaciones cualitativas y no repetibles. Esta situación es contrastante con el rápido avance de modelos de elevación digital de alta resolución como Light Detection and Ranging (LiDAR) y batimetrías de última generación. A lo largo de esta tesis me enfoco en estudiar la deformación permanente desde un punto de vista holístico: Desde los métodos usados para medir deformación permanente, hasta el estudio de los procesos responsables de su acumulación en la corteza. Mi investigación se enfoca específicamente en dos aspectos: Desarrollar nuevos métodos para medir deformación permanente usando terrazas marinas y comparar la magnitud de la deformación permanente con diferentes escalas temporales de deformación registrada durante las distintas fases del ciclo sísmico a lo largo de la zona de ruptura del (M8.8) Terremoto Maule 2010. En esta tesis he desarrollado dos métodos para determinar tasas de deformación en terrazas marinas del tipo wave-built y wave-cut. Para el primero, me enfoco en estudiar un ejemplo arquetípico de terraza marina tipo wave-built en Isla Santa María, mapeando su estratigrafía en detalle y reconociendo patrones de eventos de reocupación datados mediante once edades de radiocarbono (14C). He desarrollado un método para vincular los patrones de reocupación con variaciones del nivel del mar mediante la iteración de curvas relativas del nivel del mar para un rango de tasas de alzamiento. El mejor ajuste entre nivel del mar relativo y los patrones estratigráficos señala una tasa de alzamiento de 1.5 ± 0.3 m/ka. El segundo método es un software de interfaz gráfica llamado TerraceM® y desarrollado usando Matlab®. Esta novedosa herramienta permite determinar el shoreline-angle en terrazas del tipo wave-cut para diferentes escenarios geomorfológicos. Para validar estos métodos he seleccionado zonas de prueba con disponibilidad de topografía LiDAR a lo largo de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010), en Chile, y en California, USA. TerraceM permite determinar la ubicación tridimensional del shoreline-angle, el cual es usado para calcular tasas de deformación permanente. El shoreline-angle es localizado mediante la intersección de interpolaciones lineales, las que son usadas para definir la paleo plataforma y el paleo acantilado en perfiles topográficos swath. La precisión y exactitud de las mediciones con TerraceM es testeada comprando los resultados con mapeos previos y mediante un experimento de respetabilidad con estudiantes en el laboratorio de computación de la Universidad de Potsdam. He combinado los métodos creados anteriormente, para analizar terrazas del tipo wave-cut y wave-built, con el objetivo de medir la deformación permanente acumulada a lo largo de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010). Las terrazas tipo wave-built fueron datadas usando doce edades de Luminiscencia Estimulada por Luz Infrarroja (IRSL), las terrazas wave-cut fueron estudiadas utilizando 170 perfiles swaths alineados. Mediante la comparación de deslizamiento co-sísmico, acople intersísmico y tasas de deformación permanente he detectado tres áreas de alto alzamiento tectónico, plegamiento de terrazas marinas y zonas desplazadas por fallas activas. Estas tres áreas coinciden con zonas de alto deslizamiento cosísmico y acople, y con el limite espacial de al menos ocho megaterremotos históricos (M8-9.5). Propongo que las zonas de plegamiento de terrazas marinas en Arauco y Topocalma reflejan cambios en fricción de la zona de interplaca, que da como resultado la formación de barreras discretas para la propagación de megaterremotos. Con el objetivo de explorar la aplicación de geomorfología cuantitativa y marcadores geomorfológicos en ambientes submarinos, he desarrollado un estudio local de para determinar tasas de alzamiento tectónico utilizando líneas de costa sumergidas en el Golfo de Arauco, en la parte sur de la zona de ruptura del Terremoto Maule (2010). Utilizo una metodología multidisciplinaria que incluye: morfometría, sedimentología, paleontología, morfoscopía 3D y un modelo de evolución del relieve, con el objetivo de reconocer, cartografiar, y medir tasas y patrones de deformación permanente en ambientes submarinos. Luego, se utilizó un modelo elástico para reproducir los patrones de deformación permanente de una falla ramificada (splay- fault) definida como Sistema de Falla Santa María. El mejor modelo sugiere una estructura inversa con una tasa de deslizamiento de 3.7 m/ka durante los últimos ~30 ka. El registro de cambios del nivel del terreno durante el ciclo sísmico en Isla Santa María sugiere que la mayor parte de la deformación es acumulada a través de la reactivación de fallas ramificadas durante megaterremotos como el Maule (2010). Si consideramos 150 a 200 años como tiempo de recurrencia de estos mega eventos, un deslizamiento de entre 0.3 y 0.7 metros por evento sería necesario para equilibrar la tasa de deslizamiento de 3.7 m/ka. Sin embargo, si la falla se deslizara cada ~1000 años, sugiriendo que solo algunos terremotos podrían reactivarla, un deslizamiento de ~3.5 metros por evento serían necesarios para equilibrar la tasa de deslizamiento. Tal evento sería equivalente a un terremoto magnitud ~6.7 que sería capaz de producir un tsunami local. Los resultados de esta tesis entregan información nueva y fundamental acerca de la cantidad de deformación permanente y los posibles mecanismos asociados a esta deformación a escala de miles de años a lo largo de la zona de ruptura del M8.8 Terremoto Maule (2010). Además, los resultados de esta tesis destacan la aplicación de métodos de geomorfología cuantitativa, incluyendo nuevas herramientas computacionales como TerraceM®, el cual ayudará a expandir el uso de la geomorfología cuantitativa y métodos repetibles, además de mejorar la precisión y exactitud de estimaciones de deformación permanente en zonas costeras. Esta información es imprescindible para una adecuada ponderación de riesgos geológicos en zonas costeras y para anticipar escenarios de terremotos y tsunamis realísticos.…