Obliquity limit of megathrust earthquakes

Sintesi Tecnica: Limite di obliquità dei terremoti megathrust

Definizione del Problema
I terremoti più grandi della Terra avvengono su megathrust di zona di subduzione, dove le placche tettoniche spesso convergono obliquamente rispetto alla fossa. Questa convergenza obliqua genera una componente di moto relativo parallela alla fossa che deve essere accomodata o tramite lo scivolamento sulla megathrust stessa o tramite deformazione (specificamente faglie trascorrenti) all'interno della placca superiore. Mentre i primi modelli proponevano una soglia critica di obliquità di convergenza al di sopra della quale la deformazione viene interamente partizionata in faglie trascorrenti della placca superiore, recenti analisi geodetiche indicano che la deformazione della placca superiore avviene anche a basse obliquità, e che la relazione tra obliquità e deformazione dell'arco anteriore varia significativamente tra i diversi margini. È mancato finora un quadro quantitativo che colleghi l'obliquità di convergenza, la geometria della subduzione, la direzione di scivolamento della megathrust e la deformazione della placca superiore. Questa lacuna ostacola la stima accurata dell'accumulo totale di deformazione (strain), del coupling sismico e degli intervalli di ricorrenza dei terremoti, poiché le comuni assunzioni semplificative (ovvero che lo scivolamento della megathrust sia interamente normale o interamente parallelo alla fossa) rappresentano erroneamente l'effettivo accumulo di deformazione.

Metodologia
Gli autori combinano tre dataset globali per quantificare le obliquità di convergenza e di scivolamento della megathrust: il catalogo dei Centroid Moment Tensor globali (GCMT) (1976–2020) per i meccanismi focali dei terremoti, il modello Slab2 per la geometria dell'interfaccia di subduzione e il Modello Globale del Tasso di Deformazione (GSRM) per i moti delle placche. Per ogni terremoto di thrust dell'interfaccia, calcolano l'obliquità di convergenza ($\beta$) e l'obliquità di scivolamento del terremoto ($\alpha$) rispetto all'azimut locale di dip (inclinazione) della slab subdotta.

Per spiegare la sistematica osservata, gli autori sviluppano un modello di minimizzazione del lavoro meccanico. Il modello confronta il lavoro tettonico richiesto da due configurazioni di deformazione limite:

1. Interamente Partizionata: La deformazione parallela alla fossa è rilasciata interamente da faglie trascorrenti della placca superiore, risultando in uno scivolamento della megathrust normale alla fossa ($\alpha = 0$).
2. Non Partizionata: Tutta la deformazione obliqua è rilasciata dallo scivolamento della megathrust ($\alpha = \beta$).

Il modello assume che i terremoti rilascino la deformazione elastica accumulata in modo da minimizzare il lavoro tettonico totale sul sistema accoppiato megathrust-placca superiore. Definendo un rapporto di resistenza al taglio efficace ($R$) tra la megathrust e le faglie trascorrenti della placca superiore, gli autori derivano un'espressione analitica per un limite di obliquità dipendente dal dip ($\beta_{rb}$). Sviluppano inoltre una formulazione continua per identificare un'obliquità di scivolamento ottimale ($\alpha_{opt}$) che minimizzi il lavoro totale.

Per applicare questo quadro, gli autori stimano il rapporto di resistenza al taglio efficace a livello di popolazione ($R^*$) per 14 zone di subduzione globali. Utilizzano una ricerca per griglia (grid search) per trovare il valore di $R^*$ che posizioni la massima frazione di eventi "partizionati" (dove $\alpha < \beta$) in un regime coerente con il modello. Validano inoltre questi risultati rispetto a proxy di stress indipendenti derivati dai valori b (b-values) dei terremoti.

Risultati Chiave

• Sistematica Globale: Globalmente, la maggior parte dei terremoti megathrust scivola con un'obliquità minore rispetto alla convergenza delle placche locale ($\alpha < \beta$), ma raramente scivolano in una direzione normale alla fossa. Le obliquità di scivolamento medie per segmento variano tipicamente tra 10 e 30 gradi, deviando dalla comune assunzione di scivolamento puramente ortogonale.
• Limite di Obliquità: I dati supportano un limite di obliquità dello scivolamento della megathrust dipendente dal dip. Il modello analitico prevede un regime "Partizionato" (una zona proibita per lo scivolamento della megathrust) in cui l'obliquità di convergenza supera un limite determinato dal dip della slab e dal rapporto di resistenza $R$.
• Variabilità Regionale: L'analisi di quattro margini rappresentativi (Sumatra, Aleutine, Filippine e Kermadec) rivela distinti rapporti di resistenza ottimali ($R^*$) per ciascuna regione: Sumatra (1.74), Aleutine (1.41), Filippine (1.35) e Kermadec (3.75). Questi valori riflettono le variazioni locali nella forza della megathrust e nei tipi di roccia della placca superiore. Tuttavia, in tutti i casi, le obliquità di scivolamento osservate si allineano con la direzione di scivolamento ottimale dipendente dal dip predetta dal modello di minimizzazione del lavoro.
• Partizione della Deformazione: In tutti i 14 margini valutati, circa il 68% dei 10.383 terremoti megathrust analizzati (e oltre l'80% degli eventi con $M_w \ge 7$) scivola con un'obliquità minore rispetto alla convergenza delle placche locale, indicando che una frazione sostanziale della deformazione parallela alla fossa è accomodata dalla deformazione della placca superiore piuttosto che dallo scivolamento della megathrust.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire una base meccanica per stimare l'accumulo di deformazione sulle megathrust soggette a convergenza obliqua. Revisionando la classica visione della soglia di partizione della deformazione, gli autori sostengono che la transizione tra deformazione partizionata e non partizionata dipenda non solo dall'obliquità di convergenza, ma anche criticamente dal dip della slab e dal rapporto di resistenza efficace tra i sistemi di faglie.

Gli autori affermano che il loro quadro di minimizzazione del lavoro spiega perché le direzioni di scivolamento della megathrust siano generalmente intermedie tra i due estremi, quello della deformazione interamente partizionata e quello della deformazione non partizionata. Essi sostengono che assumere uno dei due estremi (scivolamento puramente ortogonale o scivolamento completamente parallelo alla fossa) introduca errori significativi nella stima dell'accumulo di deformazione, del coupling sismico e degli intervalli di ricorrenza. Ad esempio, nella zona di subduzione Cascadia, assumere una direzione di scivolamento ottimale invece di una convergenza puramente ortogonale o di una piena convergenza potrebbe alterare le stime dei tempi di ricorrenza di decine di punti percentuali.

Inoltre, il documento suggerisce che questo meccanismo dipendente dal dip fornisca una spiegazione fisica per la traslazione a lungo termine dell'arco anteriore e per il movimento dei terrane nel tempo geologico, collegando la partizione della deformazione su scala sismica al trasporto tettonico su larga scala senza richiedere un'estrema obliquità di convergenza. L'accordo tra le obliquità di scivolamento osservate e il semplice modello energetico suggerisce che il dip della slab sia un parametro di controllo precedentemente sottovalutato nella tettonica della subduzione obliqua.