Obliquity limit of megathrust earthquakes

Technische Zusammenfassung: Obliquitätslimit von Megathrust-Erdbeben

Problemstellung
Die größten Erdbeben der Erde treten an Subduktionszonen-Megathrusts auf, wo tektonische Platten oft schräg (obliqu) zur Tiefrinne konvergieren. Diese schräge Konvergenz erzeugt eine parallel zur Tiefrinne verlaufende Komponente der relativen Plattenbewegung, die entweder durch Gleiten auf dem Megathrust selbst oder durch Deformation (speziell Blattverschiebung/Strike-Slip-Verwerfung) innerhalb der überlagernden Platte kompensiert werden muss. Während frühe Modelle ein kritisches Schwellenwert für die Konvergenzobliquität vorschlugen, oberhalb dessen die Dehnung vollständig in Strike-Slip-Verwerfungen der Oberplatte partitioniert wird, deuten jüngste geodätische Analysen darauf hin, dass Deformationen in der Oberplatte selbst bei geringen Obliquitäten auftreten und dass die Beziehung zwischen Obliquität und Vorbogen-Deformation zwischen den Randbereichen signifikant variiert. Ein quantitativer Rahmen, der Konvergenzobliquität, Subduktionsgeometrie, Megathrust-Gleitrichtung und Deformation der Oberplatte miteinander verknüpft, fehlte bisher. Diese Lücke erschwert die genaue Abschätzung der gesamten Dehnungsakkumulation, der seismischen Kopplung und der Erdbebenrezidenzintervalle, da gängige vereinfachende Annahmen (dass Megathrust-Gleiten entweder rein senkrecht oder rein parallel zur Tiefrinne erfolgt) die tatsächliche Dehnungsakkumulation falsch darstellen.

Methodik
Die Autoren kombinieren drei globale Datensätze, um die Konvergenz- und Megathrust-Gleitobliquitäten zu quantifizieren: den Global Centroid Moment Tensor (GCMT) Katalog (1976–2020) für Erdbebenfokusmechanismen, das Slab2-Modell für die Geometrie der Subduktionsschnittstelle und das Global Strain Rate Model (GSRM) für Plattenbewegungen. Für jedes Schnittstellen-Thrust-Erdbeben berechnen sie die Konvergenzobliquität ($\beta$) und die Erdbeben-Gleitobliquität ($\alpha$) relativ zum lokalen Abtauchazimut (Down-Dip Azimuth) der subduzierenden Platte.

Um die beobachteten Systematiken zu erklären, entwickeln die Autoren ein mechanisches Arbeitsminimierungsmodell. Das Modell vergleicht die tektonische Arbeit, die durch zwei Endpunkt-Deformationskonfigurationen erforderlich ist:

1. Vollständig Partitioniert: Die parallel zur Tiefrinne verlaufende Dehnung wird vollständig durch Strike-Slip-Verwerfungen der Oberplatte abgebaut, was zu einem senkrechten Megathrust-Gleiten führt ($\alpha = 0$).
2. Nicht Partitioniert: Die gesamte schräge Dehnung wird durch Megathrust-Gleiten abgebaut ($\alpha = \beta$).

Das Modell geht davon aus, dass Erdbeben die akkumulierte elastische Dehnung in einer Weise freisetzen, die die gesamte tektonische Arbeit am gekoppelten Megathrust-Oberplatten-Verwerfungssystem minimiert. Durch Definition eines effektiven Scherwiderstandsverhältnisses ($R$) zwischen dem Megathrust und den Strike-Slip-Verwerfungen der Oberplatte leiten die Autoren einen dip-abhängigen Obliquitätslimit ($\beta_{rb}$) her. Des Weiteren entwickeln sie eine kontinuierliche Formulierung, um eine optimale Gleitobliquität ($\alpha_{opt}$) zu identifizieren, welche die Gesamtarbeit minimiert.

Zur Anwendung dieses Rahmens schätzen die Autoren das populationsweite effektive Scherwiderstandsverhältnis ($R^*$) für 14 globale Subduktionszonen. Sie nutzen eine Grid-Suche, um den $R^*$-Wert zu finden, der den größten Anteil der beobachteten „partitionierten“ Ereignisse (bei denen $\alpha < \beta$) in ein modellkonformes Regime einordnet. Sie validieren diese Ergebnisse zudem anhand unabhängiger Stress-Proxies, die aus Erdbeben-b-Werten abgeleitet wurden.

Zentrale Ergebnisse

• Globale Systematiken: Global gesehen gleiten die meisten Megathrust-Erdbeben weniger schräg als die lokale Plattenkonvergenz ($\alpha < \beta$), erreichen jedoch selten ein Gleiten in einer Richtung, die senkrecht zur Tiefrinne steht. Segmentgemittelte Gleitobliquitäten liegen typischerweise zwischen 10 und 30 Grad und weichen damit von der gängigen Annahme eines rein orthogonalen Gleitens ab.
• Obliquitätslimit: Die Daten stützen ein dip-abhängiges Limit der Megathrust-Gleitobliquität. Das analytische Modell sagt ein „Partitioniertes“ Regime voraus (eine verbotene Zone für das Megathrust-Gleiten), in dem die Konvergenzobliquität einen durch den Slab-Dip und das Widerstandsverhältnis $R$ bestimmten Grenzwert überschreitet.
• Regionale Variabilität: Die Analyse von vier repräsentativen Randbereichen (Sumatra, Aleuten, Philippinen und Kermadec) zeigt unterschiedliche optimale Widerstandsverhältnisse ($R^*$): Sumatra (1,74), Aleuten (1,41), Philippinen (1,35) und Kermadec (3,75). Diese Werte spiegeln lokale Variationen in der Megathrust-Stärke und den Gesteinstypen der Oberplatte wider. In allen Fällen stimmen die beobachteten Gleitobliquitäten jedoch mit der durch das Arbeitsminimierungsmodell vorhergesagten, dip-abhängigen optimalen Gleitrichtung überein.
• Dehnungspartitionierung: Über die 14 untersuchten Randbereiche hinweg wird bei etwa 68 % der 10.383 analysierten Megathrust-Erdbeben (und über 80 % der $M_w \ge 7$ Ereignisse) die Dehnung weniger schräg als die lokale Plattenkonvergenz abgebaut, was darauf hindeutet, dass ein erheblicher Teil der parallel zur Tiefrinne verlaufenden Dehnung durch Deformation der Oberplatte statt durch Megathrust-Gleiten kompensiert wird.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit behauptet, eine mechanische Basis für die Schätzung der Dehnungsakkumulation auf Megathrusts unter schräger Konvergenz zu liefern. Durch die Revision der klassischen Schwellenwert-Ansicht der Dehnungspartitionierung argumentieren die Autoren, dass der Übergang zwischen partitionierter und nicht-partitionierter Deformation nicht nur von der Konvergenzobliquität abhängt, sondern entscheidend auch vom Slab-Dip und dem effektiven Widerstandsverhältnis zwischen den Verwerfungssystemen.

Die Autoren behaupten, dass ihr Arbeitsminimierungsrahmen erklärt, warum die Gleitrichtungen der Megathrusts im Allgemeinen zwischen den beiden Endpunkten – vollständig partitioniert und nicht-partitioniert – liegen. Sie führen an, dass die Annahme eines der beiden Extreme (reines orthogonales Gleiten oder volles plattengleiches Gleiten) signifikante Fehler bei der Schätzung der Dehnungsakkumulation, der seismischen Kopplung und der Rezidenzintervalle einführt. Beispielsweise könnte die Annahme einer optimalen Gleitrichtung anstelle der vollen Konvergenz oder der rein orthogonalen Konvergenz in der Cascadia-Subduktionszone die Schätzungen der Rezidenzzeit um Zehn Prozentpunkte verändern.

Darüber hinaus legt die Arbeit nahe, dass dieser dip-abhängige Mechanismus eine physikalische Erklärung für die langfristige Vorbogen-Translation und Terranbewegung über geologische Zeiträume liefert, indem er die Dehnungspartitionierung auf Erdbeben-Skala mit großräumiger tektonischer Transportbewegung verknüpft, ohne dass eine extreme Konvergenzobliquität erforderlich ist. Die Übereinstimmung der beobachteten Gleitobliquitäten mit dem einfachen energetischen Modell deutet darauf hin, dass der Slab-Dip ein bisher unterschätzter kontrollierender Parameter in der schrägen Subduktions-Tektonik ist.