Dynamic triggering: The effects of remote earthquakes on volcanoes, hydrothermal systems and tectonics

Abstract

Dynamic stresses induced by seismic waves from large earthquakes can trigger a variety of geologic phenomena. This thesis focuses on observational evidence of dynamically triggered seismic activity in hydrothermal, volcanic and mud-volcanic systems.<br /> During summer 2011 and 2013 we discovered microseismic activity under the Snæfellsjökull volcano, Iceland. Earthquakes with magnitudes Ml < 1.5 are located around 5–13 km below sea level. Seismicity likely reflects hybrid events that involve brittle failure in combination with fluid-related processes in deep sections of the crust. Additional Synthetic Aperture Radar Interferometry shows no vertical surface deformation between years 2004 and 2008, indicating negligible inflation/deflation within the inferred magma reservoir.<br /> We analyze the triggering of seismic activity at the Irazú-Turrialba volcanic complex, Costa Rica, following the 2012 Mw 7.6 Nicoya earthquake. After the passage of seismic waves we observe a sudden increase in seismicity lasting approximately 36 hours with a maximum rate of 75 events/hour. We point out that Mw < 4.5 aftershocks are also followed by increased seismicity. We propose the combined action of dynamic stress and short-lived coseismic relaxation triggered seismic activity in this near-critical system. Additionally, we show similar earthquake triggering by teleseismic surface waves in the Larderello-Travale geothermal field, Italy.<br /> Furthermore, we present evidence for triggered tremor beneath the island of Sumbawa, Indonesia. We show tremor in response to three teleseismic earthquakes and constrain a triggering threshold of 8 kPa dynamic stress. Triggered tremor amplitudes scale with induced ground velocity. Tremor responds to 45–65 s period surface waves and predominantly correlates with Rayleigh waves. We could not locate the tremor but data indicates potential source volumes such as the Flores Thrust, the Java subduction zone, or Tambora volcano.<br /> Using numerical wave propagation we investigate the trigger of the 2006 Lusi mud eruption, Indonesia. We show that the parabolic-shaped lithology at Lusi could have reflected and focused incoming seismic energy from the 2006 Mw 6.3 Yogyakarta earthquake. Our simulations show that energy concentrations in the mud layer could have been sufficient to liquefy the mud source. We conclude that the Lusi mud eruption was a natural occurrence and suggest that parabolic lithologies with varying acoustic impedance can focus and amplify incoming seismic energy and trigger a response in various volcanic and hydrothermal systems.<br /> Results from this thesis suggest that dynamic stresses in the low Kilopascal range can trigger a variety of geologic responses. The dynamic interaction during triggering is more complex than can be covered in established basic magnitude-distance relations which should be reformulated or enhanced.

<strong>Dynamisches Triggern: die Auswirkungen von regionalen und teleseismischen Erdbeben auf Vulkane, hydrothermale Systeme und Plattengrenzen<br /></strong>Seismische Wellen starker Erdbeben induzieren dynamische Spannungen und können eine Vielzahl geologischer Phänomene auslösen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Beobachtungen von ausgelöster seismischer Aktivität in hydrothermalen, vulkanischen und schlammvulkanischen Systemen.<br /> In den Jahren 2011 und 2013 haben wir mikroseismische Aktivität unter dem Snæfellsjökull Vulkan auf Island gemessen. Erdbeben mit Magnituden Ml < 1.5 befinden sich 5–13 km unter dem Meeresspiegel und sind möglicherweise auf eine Kombination von sprödem Bruch unter Fluid-Einfluss in tiefen Teilen der Kruste zurückzuführen. InSAR Messungen zeigen keine Oberflächenverformung zwischen 2004 und 2008, woraus wir schließen, dass es keine Volumenänderung in einem Magma Reservoir gegeben hat.<br /> Wir analysieren ansteigende seismische Aktivität im Irazú-Turrialba Vulkankomplex, Costa Rica, nach dem 2012 Mw 7.6 Nicoya Erdbeben. Nach Passage der seismischen Wellen konnten wir einen abrupten Anstieg der Erdbebenrate beobachten, welcher ungefähr 36 Stunden anhielt. Bemerkenswert ist, dass Nachbeben mit Mw < 4.5 das System ebenfalls beinflussten. Eine Kombination aus dynamischen Spannungen und koseismischer Relaxion kann den Anstieg der Erdbebenrate ausgelöst haben. In einer vergleichbaren Studie stellen wir Erdbeben vor, die durch teleseismische Wellen im italienischen Geothermalgebiet Larderello-Travale ausgelöst wurden.<br /> Desweiteren präsentieren wir Daten, die tektonischen Tremor unter der Insel Sumbawa in Indonesien belegen. Wir zeigen Tremor als Reaktion auf drei teleseismische Erdbeben und bestimmen eine Auslöseschwelle von 8 kPa seismischer Spannung. Tremor Amplituden skalieren mit der induzierten Bodenbewegung. Zudem reagiert Tremor auf Oberflächenwellen mit einer Periode zwischen 45–65 s und korreliert insbesondere mit Rayleigh Wellen. Der Ursprung dieser Tremor-Signale kann nicht bestimmt werden, die Daten sprechen jedoch für die Flores Verwerfung, die Java Subduktionszone oder den Tambora Vulkan.<br /> Mittels numerischer Simulation untersuchen wir den Lusi Schlammausbruch in Indonesien aus dem Jahr 2006. Wir zeigen, dass eine kuppelförmige Lithologie die seismischen Wellen des Mw 6.3 Yogyakarta Erdbebens reflektiert und fokussiert haben kann. So konnte sich Energie in der schlammführenden Schicht konzentrieren und den Schlamm verflüssigen. Wir schlussfolgern, dass der Lusi Ausbruch natürlichen Ursprungs ist und generell kuppelförmige Gesteinsschichtungen einfallende seismische Wellen verstärken können und somit Reaktionen in vulkanischen oder hydrothermalen Systemen auslösen.<br /> Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass dynamische Spannungen von wenigen Kilopascal eine Vielzahl an geologischen Reaktionen auslösen können. Etablierte Magnitude- Entfernungs-Relationen können diese komplexe Interaktion nicht erfassen und sollten daher umformuliert oder erweitert werden.