Antje Kellner

• The styles of deformation of the fore-arc wedges along the Chilean convergent margin are observed to vary significantly, despite similar plate kinematic conditions. Here, I focus on the analysis of fore-arc deformation on two regions along the Chilean convergent margin at 20°-24°S and 37°-42°S. Although both regions are subjected to the oblique subduction of the oceanic Nazca plate and backstopped by the Andes mountain chain; they display different patterns of deformation. The northern Chilean study area (20° - 24°S) is characterized by an exceptionally thick crust of about 60 km beneath the Altiplano – Puna plateau, lack of an accretionary wedge in the fore-arc due to hyperarid climate, and consequently a sediment starved trench. Two major margin parallel strike slip faults are observed in this area, the Atacama Fault Zone (AFZ) and the Precordilleran Fault System (PFS). Both strike-slip faults do not exhibit significant recent displacement. The southern study area (37° - 42°S), compared to the northern study area, is characterizedThe styles of deformation of the fore-arc wedges along the Chilean convergent margin are observed to vary significantly, despite similar plate kinematic conditions. Here, I focus on the analysis of fore-arc deformation on two regions along the Chilean convergent margin at 20°-24°S and 37°-42°S. Although both regions are subjected to the oblique subduction of the oceanic Nazca plate and backstopped by the Andes mountain chain; they display different patterns of deformation. The northern Chilean study area (20° - 24°S) is characterized by an exceptionally thick crust of about 60 km beneath the Altiplano – Puna plateau, lack of an accretionary wedge in the fore-arc due to hyperarid climate, and consequently a sediment starved trench. Two major margin parallel strike slip faults are observed in this area, the Atacama Fault Zone (AFZ) and the Precordilleran Fault System (PFS). Both strike-slip faults do not exhibit significant recent displacement. The southern study area (37° - 42°S), compared to the northern study area, is characterized by lower topography, high precipitation rates (~2000 mm/yr), and a younger subducted oceanic plate. An active strike-slip fault, the Liquiñe-Ofqui-Fault-Zone (LOFZ), shows ~1 cm/yr recent dextral movement and shapes the surface of this area. Thus, the southern Chilean study area exhibits localized strike-slip motion. Within this area the largest earthquake ever recorded, the 1960 Valdivia earthquake, occurred with a moment magnitude of MW=9.5. I have constructed 2D thermal models and 3D mechanical models for both Chilean study areas to study processes related to active subduction. The applied numerical method is the finite element technique by means of the commercial software package ABAQUS. The thermal models are focused on the thermal conditions along the plate interface. The thermal structure along the plate interface reveals the limits of coupling but also the type of transition from coupled to uncoupled and vice versa. The model results show that shear heating at the plate interface is an important mechanism that should be taken into account. The models also show that the thermal condition at the downdip limit of the coupling zone leads to a sharp decrease of friction along the interface. Due to the different geometries of the two Chilean study areas, such as the slab dip and the thickness of the continental crust, the downdip limit of the southern study area is slightly shallower than that of the northern study area. The results of the 2D thermal models are used to constrain the spatial extent of the coupling zone in the 3D mechanical models. 3D numerical simulations are used to investigate how geometry, rheology and mechanical parameters influence strain partitioning and styles of deformation in the Chilean fore-arc. The general outline of the models is based on the fore-arc geometry and boundary conditions as derived from geophysical and geological field data. I examined the influence of different rheological approaches and varying physical properties of the fore-arc to identify and constrain the parameters controlling the difference in surface deformation between the northern and southern study area. The results of numerical studies demonstrate that a small slab dip, a high coefficient of basal friction, a high obliquity of convergence, and a high Young’s modulus favour localisation of deformation in the fore-arc wedge. This parameter study helped me to constrain preferred models for the two Chilean study areas that fit to first order observations. These preferred models explain the difference in styles of deformation as controlled by the angle of obliquity, the dip of subducting slab, and the strength of wedge material. The difference in styles can be even larger if I apply stronger coupling between plates within the southern area; however, several independent observations indicate opposite tendency showing southward decrease of intensity of coupling. The weaker wedge material of the preferred model for the northern study area is associated with advanced development of the adjacent orogen, the Central Andes. Analysis of world-wide examples of oblique subduction zones supports the conclusion that more mature subduction zones demonstrate less pronounced localization of strike-slip motion.…
• Die Deformationsmuster der Fore-Arc Keile entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes variieren beachtlich, trotz ähnlicher plattenkinematischer Randbedingungen. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Analyse der Deformation des Fore-Arcs in zwei Gebieten entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes zwischen 20°-24°S und 37°-42°S. Obwohl beide Gebiete durch schiefe Subduktion der ozeanischen Nazca Platte und der östlichen Begrenzung durch die Andine Gebirgskette gekennzeichnet sind, zeigen sie unterschiedliche Deformationsmuster an der Oberfläche. Das nördliche chilenische Gebiet (20° - 24°S) ist gekennzeichnet durch eine außergewöhnliche Krustendicke von ~ 60 km unterhalb des Altiplano - Puna Plateaus, dem Fehlen eines akkretionären Prismas im Fore-Arc aufgrund des trockenen Klimas und somit einer nahezu sedimentfreien Tiefseerinne. Zwei große Plattenrand-parallele Strike-Slip Störungen werden in diesem Gebiet beobachtet, die Atacama Fault Zone (AFZ) und das Precordilleran Fault System (PFS). Beide Strike-SlipDie Deformationsmuster der Fore-Arc Keile entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes variieren beachtlich, trotz ähnlicher plattenkinematischer Randbedingungen. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Analyse der Deformation des Fore-Arcs in zwei Gebieten entlang des chilenischen konvergenten Plattenrandes zwischen 20°-24°S und 37°-42°S. Obwohl beide Gebiete durch schiefe Subduktion der ozeanischen Nazca Platte und der östlichen Begrenzung durch die Andine Gebirgskette gekennzeichnet sind, zeigen sie unterschiedliche Deformationsmuster an der Oberfläche. Das nördliche chilenische Gebiet (20° - 24°S) ist gekennzeichnet durch eine außergewöhnliche Krustendicke von ~ 60 km unterhalb des Altiplano - Puna Plateaus, dem Fehlen eines akkretionären Prismas im Fore-Arc aufgrund des trockenen Klimas und somit einer nahezu sedimentfreien Tiefseerinne. Zwei große Plattenrand-parallele Strike-Slip Störungen werden in diesem Gebiet beobachtet, die Atacama Fault Zone (AFZ) und das Precordilleran Fault System (PFS). Beide Strike-Slip Störungen zeigen keine signifikanten aktuellen Bewegungsraten. Das südliche Gebiet (37° - 42°S) ist im Vergleich zum nördlichen Gebiet durch eine niedrigere Topographie, hohe Niederschlagsraten (~2000 mm/a) und eine jüngere abtauchende ozeanische Platte gekennzeichnet. Die aktive Strike-Slip Störung, Liquiñe-Ofqui-Fault-Zone (LOFZ), ist gekennzeichnet durch aktuelle dextrale Bewegungsraten von 1 cm/a und prägt die Oberflächenstruktur in dieser Region. Folglich ist der südliche Arbeitsbereich durch lokalisierte Strike-Slip Bewegung charakterisiert. Innerhalb dieses Gebietes ereignete sich das größte instrumentell aufgezeichnete Erdbeben, das 1960 Valdivia Erdbeben, mit einer Stärke von MW=9.5. 2D thermische Modelle und 3D mechanische Modelle wurden für die beiden chilenischen Gebiete konstruiert, um Prozesse im Zusammenhang mit aktiver Subduktion zu untersuchen. Als numerisches Verfahren wurde die Finite Elemente Methode mit Hilfe des kommerziellen Softwarepakets ABAQUS angewandt. Die thermischen Modelle sind auf die thermischen Konditionen entlang der Plattengrenzfläche fokussiert. Die thermische Struktur entlang der Plattengrenzfläche zeigt die Grenzen der Kopplung an aber auch die Art des Überganges von gekoppelt zu nicht gekoppelt und umgekehrt. Die Modellergebnisse zeigen, dass Heizen infolge der Scherung an der Plattengrenzfläche ein wichtiger Faktor ist, der in Betracht gezogen werden sollte. Die Modelle zeigen auch, dass die thermische Struktur an der unteren Begrenzung der Koppelzone zu einer deutlichen Abnahme der Reibung entlang der Grenzfläche führt. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien der zwei chilenischen Untersuchungsgebiete, z.B. Abtauchwinkel der ozeanischen Platte und Krustendicke, ist die untere Begrenzung der Koppelzone des südlichen Untersuchungsgebietes in geringerer Tiefe als die des nördlichen Gebietes. Die Ergebnisse der thermischen 2D Modelle werden genutzt, um die räumliche Ausdehnung der Koppelzone in den mechanischen 3D Modellen festzulegen. Numerische 3D Simulationen werden genutzt, um zu verstehen, wie Geometrien, Rheologien und mechanische Parameter die Verformungspartitionierung und das Deformationsmuster im chilenischen Fore-Arc beeinflussen. Ich habe den Einfluss unterschiedlicher rheologischer Ansätze und unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften auf den Fore-Arc untersucht, um Parameter zu identifizieren und zu bestimmen, die den Unterschied des Deformationsmusters zwischen dem nördlichen und südlichen Gebiet steuern. Die Ergebnisse der numerischen Studien stellen heraus, dass ein kleinerer Abtauchwinkel der ozeanischen Platte, ein hoher basaler Reibungskoeffizient, eine hohe Konvergenzschiefe und ein großer Elastizitätsmodul die Lokalisierung der Deformation im Fore-Arc Keil begünstigen. Basierend auf dieser Parameterstudie habe ich Modelle für die beiden chilenischen Gebiete ausgewählt, die in Beobachtungen erster Ordnung übereinstimmen. Diese ausgewählten Modelle erklären die unterschiedlichen Deformationsmuster durch eine größere Konvergenzschiefe, einen kleineren Abtauchwinkel der ozeanischen Platte und ein härteres Keilmaterial für das südliche Untersuchungsgebiet. Der Unterschied bezüglich der Deformationsmuster kann sogar größer sein, wenn ich eine größere Reibung zwischen den Platten im südlichen Gebiet anwende; jedoch zeigen einige unabhängige Beobachtungen eine umgekehrte Tendenz: eine Abnahme der Intensität der Koppelung von Nord nach Süd. Das schwächere Keilmaterial des ausgewählten Modells für das nördliche Untersuchungsgebiet steht im Zusammenhang mit der fortgeschrittenen Entwicklung des angrenzenden Orogens, der zentralen Anden. Die Analyse weltweiter Beispiele von schiefen Subduktionzonen unterstützt die Schlussfolgerung, dass ältere Subduktionzonen weniger ausgeprägte Lokalisierung von Strike-Slip Bewegung aufzeigen.…