Odin Marc

• Earthquakes deform Earth's surface, building long-lasting topographic features and contributing to landscape and mountain formation. However, seismic waves produced by earthquakes may also destabilize hillslopes, leading to large amounts of soil and bedrock moving downslope. Moreover, static deformation and shaking are suspected to damage the surface bedrock and therefore alter its future properties, affecting hydrological and erosional dynamics. Thus, earthquakes participate both in mountain building and stimulate directly or indirectly their erosion. Moreover, the impact of earthquakes on hillslopes has important implications for the amount of sediment and organic matter delivered to rivers, and ultimately to oceans, during episodic catastrophic seismic crises, the magnitude of life and property losses associated with landsliding, the perturbation and recovery of landscape properties after shaking, and the long term topographic evolution of mountain belts. Several of these aspects have been addressed recently through individualEarthquakes deform Earth's surface, building long-lasting topographic features and contributing to landscape and mountain formation. However, seismic waves produced by earthquakes may also destabilize hillslopes, leading to large amounts of soil and bedrock moving downslope. Moreover, static deformation and shaking are suspected to damage the surface bedrock and therefore alter its future properties, affecting hydrological and erosional dynamics. Thus, earthquakes participate both in mountain building and stimulate directly or indirectly their erosion. Moreover, the impact of earthquakes on hillslopes has important implications for the amount of sediment and organic matter delivered to rivers, and ultimately to oceans, during episodic catastrophic seismic crises, the magnitude of life and property losses associated with landsliding, the perturbation and recovery of landscape properties after shaking, and the long term topographic evolution of mountain belts. Several of these aspects have been addressed recently through individual case studies but additional data compilation as well as theoretical or numerical modelling are required to tackle these issues in a more systematic and rigorous manner. This dissertation combines data compilation of earthquake characteristics, landslide mapping, and seismological data interpretation with physically-based modeling in order to address how earthquakes impact on erosional processes and landscape evolution. Over short time scales (10-100 s) and intermediate length scales (10 km), I have attempted to improve our understanding and ability to predict the amount of landslide debris triggered by seismic shaking in epicentral areas. Over long time scales (1-100 ky) and across a mountain belt (100 km) I have modeled the competition between erosional unloading and building of topography associated with earthquakes. Finally, over intermediate time scales (1-10 y) and at the hillslope scale (0.1-1 km) I have collected geomorphological and seismological data that highlight persistent effects of earthquakes on landscape properties and behaviour. First, I compiled a database on earthquakes that produced significant landsliding, including an estimate of the total landslide volume and area, and earthquake characteristics such as seismic moment and source depth. A key issue is the accurate conversion of landslide maps into volume estimates. Therefore I also estimated how amalgamation - when mapping errors lead to the bundling of multiple landslide into a single polygon - affects volume estimates from various earthquake-induced landslide inventories and developed an algorithm to automatically detect this artifact. The database was used to test a physically-based prediction of the total landslide area and volume caused by earthquakes, based on seismological scaling relationships and a statistical description of the landscape properties. The model outperforms empirical fits in accuracy, with 25 out of 40 cases well predicted, and allows interpretation of many outliers in physical terms. Apart from seismological complexities neglected by the model I found that exceptional rock strength properties or antecedent conditions may explain most outliers. Second, I assessed the geomorphic effects of large earthquakes on landscape dynamics by surveying the temporal evolution of precipitation-normalized landslide rate. I found strongly elevated landslide rates following earthquakes that progressively recover over 1 to 4 years, indicating that regolith strength drops and recovers. The relaxation is clearly non-linear for at least one case, and does not seem to correlate with coseismic landslide reactivation, water table level increase or tree root-system recovery. I suggested that shallow bedrock is damaged by the earthquake and then heals on annual timescales. Such variations in ground strength must be translated into shallow subsurface seismic velocities that are increasingly surveyed with ambient seismic noise correlations. With seismic noise autocorrelation I computed the seismic velocity in the epicentral areas of three earthquakes where I constrained a change in landslide rate. We found similar recovery dynamics and timescales, suggesting that seismic noise correlation techniques could be further developed to meaningfully assess ground strength variations for landscape dynamics. These two measurements are also in good agreement with the temporal dynamics of post-seismic surface displacement measured by GPS. This correlation suggests that the surface healing mechanism may be driven by tectonic deformation, and that the surface regolith and fractured bedrock may behave as a granular media that slowly compacts as it is sheared or vibrated. Last, I compared our model of earthquake-induced landsliding with a standard formulation of surface deformation caused by earthquakes to understand which parameters govern the competition between the building and destruction of topography caused by earthquakes. In contrast with previous studies I found that very large (Mw>8) earthquakes always increase the average topography, whereas only intermediate (Mw ~ 7) earthquakes in steep landscapes may reduce topography. Moreover, I illustrated how the net effect of earthquakes varies with depth or landscape steepness implying a complex and ambivalent role through the life of a mountain belt. Further I showed that faults producing a Gutenberg-Richter distribution of earthquake sizes, will limit topography over a larger range of fault sizes than faults producing repeated earthquakes with a characteristic size.…
• Erdbeben gestalten die Erdoberfläche, sie tragen langfristig zum Aufbau von Topografie sowie zur Landschafts- und Gebirgsbildung bei. Die von Erdbeben erzeugten seismischen Erschütterungen können Gebirge jedoch auch destabilisieren und grosse Mengen an Boden sowie Grundgestein zum Abrutschen bringen und zerrüten. Erdbeben wirken daher sowohl auf die Gebirgsbildung als auch auf ihre Denudation. Ein detailliertes Verständnis der Auswirkungen von Erdbeben auf Hangstabilität ist eine wichtige Voraussetzung um die Zusammenhänge mit anderen Prozesse besser nachzuvollziehen: der kurzfristige Transport von Sedimenten und organischem Material in Flüsse und ihre Ablagerung bis in die Ozeane; der Verlust von Leben und Infrastruktur durch Hangrutschungen verbunden mit episodischen, katastrophalen, seismischen Ereignissen; die Störung und Wiederherstellung von Landschaftseigenschaften nach Erdbeben; sowie die langfristigen topographischen Entwicklung von ganzen Gebirgsketten. Einige dieser Forschungsfragen wurden kürzlich in einzelnenErdbeben gestalten die Erdoberfläche, sie tragen langfristig zum Aufbau von Topografie sowie zur Landschafts- und Gebirgsbildung bei. Die von Erdbeben erzeugten seismischen Erschütterungen können Gebirge jedoch auch destabilisieren und grosse Mengen an Boden sowie Grundgestein zum Abrutschen bringen und zerrüten. Erdbeben wirken daher sowohl auf die Gebirgsbildung als auch auf ihre Denudation. Ein detailliertes Verständnis der Auswirkungen von Erdbeben auf Hangstabilität ist eine wichtige Voraussetzung um die Zusammenhänge mit anderen Prozesse besser nachzuvollziehen: der kurzfristige Transport von Sedimenten und organischem Material in Flüsse und ihre Ablagerung bis in die Ozeane; der Verlust von Leben und Infrastruktur durch Hangrutschungen verbunden mit episodischen, katastrophalen, seismischen Ereignissen; die Störung und Wiederherstellung von Landschaftseigenschaften nach Erdbeben; sowie die langfristigen topographischen Entwicklung von ganzen Gebirgsketten. Einige dieser Forschungsfragen wurden kürzlich in einzelnen Fallstudien betrachtet aber zusätzliche Datenerfassung, theoretische und numerische Modellierung sind erforderlich, um diese Prozesse detaillierter zu erfassen. In dieser Dissertation werden Daten zu Eigenschaften der Erdbeben sowie aus Hangrutsch kartierungen und die Interpretation seismologischer Daten mit physikalischer Modellierung kombiniert, um die folgende übergreifende Frage zu beantworten: Wie beeinflussen Erdbeben die Erosionsprozesse in der Landschaftsentwicklung? Auf einer kurzen Zeitskala (10-100 s) und einer mittleren räumlichen Skala (10 km), habe ich versucht sowohl unser Prozessverständnis zu vertiefen als auch Vorhersagen über das gesamte Volumen der Rutschungen welche durch seismische Beben in der unmittelbaren Umgebung von Epizentren ausgelöst wurden, zu treffen und zu verbessern Auf einer langen Zeitskala (1-100 ky) und über einen Gebirgsgürtel (100 km) habe ich die durch Erdbeben ausgelösten konkurrierenden Prozesse von Abflachung von Topografie durch Erosion und den Aufbau von Topografie durch Hebung, modelliert. Auf einer mittleren Zeitskala (1-10 Jahre) und einer relativ kleinen Hangskala (0,1-1 km) habe ich geomorphologische und seismologische Daten erhoben, welche die anhaltenden Auswirkungen von Erdbeben auf Landschaftseigenschaften und deren Dynamic hervorheben. Zuerst habe ich eine Datenbank von Erdbeben erstellt, welche erhebliche Hangrutschungen ausgelöst hatten, einschliesslich einer Schätzung des gesamten Hangrutschungsvolumens und der Erdbebencharakteristiken wie z.B. seismischer Moment und Lage des Hypozentrums. Ich habe auch beurteilt, wie die Kartierung von Erdrutschen die Abschätzungen des Gesamtvolumens fehlerhaft beeinflussen können und präsentiere einen Algorithmus, um solche Fehler automatisch zu erkennen. Diese Datenbank wurde verwendet, um eine physisch-basierte Vorhersage der durch Erdbeben verursachten gesamten Hangrutschungsflächen und Volumen zu testen, welche auf seismologischen Skalierungsbeziehungen und auf einer statistischen Beschreibung der Landschaftseigenschaften basiert. Zweitens untersuchte ich den Einfluss von starken Erdbeben auf die Landschaftsdynamik durch das Vermessen der temporalen Entwicklung der Suszeptibilität von Hangrutschungen. Ich habe gezeigt, dass die stark erhöhte Hangrutschrate nach dem Erdbeben schrittweise nach einigen Jahren zurückging. Diesen Rückgang über die Zeit interpretiere ich als die Zerrüttung von oberflächennahem Gestein durch das Erdbeben und die Heilung der dadurch entstandenen Risse über der Zeit. Meine Daten deuten darauf hin, dass die Zerrüttungen und die anschliessende Heilung des Festgesteins in dem epizentralen Gebieten mit ambienten, seismischen Hintergrundrauschen überwacht werden kann. Möglicherweise wird die Heilung zusätzlich durch andauernde post-seismische Deformation angetrieben. Am Ende der Arbeit vergleiche ich meine entwickelten Modelle von erdbebenbedingten Hangrutschungen mit einer Standardformel für erdbebenverursachte Oberflächendeformierung. Mit diesem Vergleich zeige ich welche Parameter den Wettstreit zwischen der Hebung von Topografie und der gleichzeitigen Zerstörung von Topografie durch Erdbeben bestimmen. Ich zeige, dass nur mittlere - Mw ~ 7 - Erdbeben die Topografie reduzieren können im Gegensatz zu stärkeren - Mw > 8 - Beben die immer einen effektive Bildung von Topografie verursachen. Meine Ergebnisse zeigen die komplexen Zusammenhänge von Erdbeben in der Gebirgsbildung.…