Obliquity limit of megathrust earthquakes

Technische Samenvatting: Obliquiteitslimiet van megathrust-aardbevingen

Probleemstelling
De grootste aardbevingen op aarde vinden plaats op subductiezone-megathrusts, waar tektonische platen vaak schuin (obliqu) naar de trog convergeren. Deze schuine convergentie genereert een evenwijde component aan de trog van de relatieve plaatbeweging, die ofwel moet worden geaccommodeerd door slip op de megathrust zelf, of door deformatie (specifiek strike-slip-breukvorming) binnen de bovenliggende plaat. Terwijl vroege modellen een kritische drempelwaarde voor convergentie-obliquiteit voorstelden waarbij de rek volledig wordt gepartitioneerd in strike-slip-breuken in de bovenplaat, wijzen recente geodetische analyses erop dat deformatie in de bovenplaat zelfs bij lage obliquiteiten voorkomt, en dat de relatie tussen obliquiteit en voorboogdeformatie significant varieert tussen marges. Een kwantitatief kader dat convergentie-obliquiteit, subductiegeometrie, megathrust-sliprichting en bovenplaatdeformatie met elkaar verbindt, ontbrak tot nu toe. Dit belemmert nauwkeurige schattingen van de totale rekaccumulatie, seismische koppeling en aardbeving-recurrente intervallen, vooral omdat veelvoorkomende simplificerende aannames (dat megathrust-slip ofwel volledig loodrecht op de trog, ofwel volledig evenwijdig aan de trog is) de werkelijke rekaccumulatie verkeerd weergeven.

Methodologie
De auteurs combineren drie wereldwijde datasets om de convergentie- en megathrust-slipobliquiteiten te kwantificeren: de Global Centroid Moment Tensor (GCMT) catalogus (1976–2020) voor aardbeving-focal mechanismen, het Slab2-model voor de subductie-interfacegeometrie, en de Global Strain Rate Model (GSRM) voor plaatbewegingen. Voor elke interface-thrust-aardbeving berekenen zij de convergentie-obliquiteit ($\beta$) en de aardbeving-slipobliquiteit ($\alpha$) ten opzichte van de lokale down-dip azimuth van de subducerende plaat.

Om de waargenomen systematiek te verklaren, ontwikkelen de auteurs een mechanisch werk-minimalisatiemodel. Het model vergelijkt het tektonische werk dat vereist is door twee end-member deformatieconfiguraties:

1. Volledig Gepartitioneerd: De evenwijde spanning aan de trog wordt volledig vrijgegeven door strike-slip-breukvorming in de bovenplaat, wat resulteert in een megathrust-slip die loodrecht op de trog staat ($\alpha = 0$).
2. Niet-Gepartitioneerd: Alle schuine spanning wordt vrijgegeven door megathrust-slip ($\alpha = \beta$).

Het model gaat ervan uit dat aardbevingen de geaccumuleerde elastische rek vrijgeven op een wijze die het totale tektonische werk op het gekoppelde megathrust-bovenplaat breuksysteem minimaliseert. Door een effectieve schuifweerstandsratio ($R$) te definiëren tussen de megathrust en de bovenplaat strike-slip-breuken, leiden de auteurs een analytische expressie af voor een dip-afhankelijke obliquiteitslimiet ($\beta_{rb}$). Zij ontwikkelen verder een continue formulering om een optimale slipobliquiteit ($\alpha_{opt}$) te identificeren die het totale werk minimaliseert.

Om dit kader toe te passen, schatten de auteurs de populatie-brede effectieve schuifweerstandsratio ($R^*$) voor 14 wereldwijde subductiezones. Zij gebruiken een grid search om de $R^*$-waarde te vinden die het grootste deel van de waargenomen "gepartitioneerde" gebeurtenissen (waar $\alpha < \beta$) in een model-consistent regime plaatst. Zij valideren deze bevindingen ook tegen onafhankelijke stress-proxies afgeleid van aardbeving b-waarden.

Belangrijkste Resultaten

• Globale Systematiek: Wereldwijd glijden de meeste megathrust-aardbevingen minder schuin dan de lokale plaatconvergentie ($\alpha < \beta$), maar ze glijden zelden in een richting die loodrecht op de trog staat. Segment-gemiddelde slipobliquiteiten liggen doorgaans tussen de 10 en 30 graden, wat afwijkt van de gangbare aanname van zuivere orthogonale slip.
• Obliquiteitslimiet: De data ondersteunen een dip-afhankelijke limiet op de megathrust-slipobliquiteit. Het analytische model voorspelt een "Gepartitioneerd" regime (een verboden zone voor megathrust-slip) waar de convergentie-obliquiteit de limiet overschrijdt die bepaald wordt door de slab dip en de weerstandsratio $R$.
• Regionale Variabiliteit: Analyse van vier representatieve marges (Sumatra, Aleutische eilanden, Filipijnen en Kermadec) onthult verschillende optimale weerstandsratio's ($R^*$) voor elke regio: Sumatra (1,74), Aleutische eilanden (1,41), Filipijnen (1,35) en Kermadec (3,75). Deze waarden weerspiegelen lokale variaties in megathrust-sterkte en de gesteentetypes van de bovenplaat. Echter, in alle gevallen komen de waargenomen slipobliquiteiten overeen met de door het werk-minimalisatiemodel voorspelde, dip-afhankelijke optimale sliprichting.
• Rek-partitionering: Over de 14 geëvalueerde marges glijden ongeveer 68% van de 10.383 geanalyseerde megathrust-aardbevingen (en meer dan 80% van de $M_w \ge 7$ gebeurtenissen) minder schuin dan de lokale plaatconvergentie, wat aangeeft dat een aanzienlijk deel van de evenwijde spanning aan de trog wordt geaccommodeerd door deformatie in de bovenplaat in plaats van door megathrust-slip.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert een mechanische basis te bieden voor het schatten van de rekaccumulatie op megathrusts die onderhevige zijn aan schuine convergentie. Door de klassieke drempelwaarde-visie van rek-partitionering te herzien, betogen de auteurs dat de overgang tussen gepartitioneerde en niet-gepartitioneerde deformatie niet alleen afhangt van de convergentie-obliquiteit, maar ook cruciaal afhangt van de slab dip en de effectieve weerstandsratio tussen de breuksystemen.

De auteurs stellen dat hun werk-minimalisatiekader verklaart waarom de sliprichtingen van megathrusts over het algemeen intermediair zijn tussen de volledig gepartitioneerde en de niet-gepartitioneerde end-members. Zij beweren dat het aannemen van een van beide extremen (zuivere orthogonale slip of volledige plaat-parallelle slip) significante biases introduceert bij het schatten van de rekaccumulatie, seismische koppeling en de recurrentie-intervallen. In de Cascadia-subductiezone kan bijvoorbeeld het aannemen van een optimale sliprichting in plaats van volledige convergentie of zuivere orthogonale convergentie de schattingen van de recessietijd met tientallen procenten veranderen.

Verder suggereert het artikel dat dit dip-afhankelijke mechanisme een fysieke verklaring biedt voor de langetermijn voorboog-translatie en de beweging van terranen over geologische tijd, waarbij aardbeving-schaal rek-partitionering wordt gekoppeld aan grootschalige tektonische transport zonder dat daarvoor extreme convergentie-obliquiteit nodig is. De overeenstemming tussen de waargenomen slipobliquiteiten en het eenvoudige energetische model suggereert dat de slab dip een eerder onderbelichte, sturende parameter is in de obliquiteit van subductie-tectoniek.