Obliquity limit of megathrust earthquakes

Resumo Técnico: Limite de obliquidade de terremotos de megatrust

Definição do Problema
Os maiores terremotos da Terra ocorrem em zonas de subducção de megatrust, onde as placas tectônicas frequentemente convergem obliquamente à fossa. Essa convergência oblíqua gera um componente paralelo à fossa do movimento relativo das placas que deve ser acomodado ou pelo deslizamento no próprio megatrust ou pela deformação (especificamente falhamento de transcorrência) dentro da placa superior. Embora modelos iniciais tenham proposto um limiar crítico de obliquidade de convergência acima do qual a deformação é totalmente particionada em falhas de transcorrência da placa superior, análises geodésicas recentes indicam que a deformação da placa superior ocorre mesmo em baixas obliquidades, e que a relação entre obliquidade e deformação do antearco varia significativamente entre as margens. Um arcabouço quantitativo que ligue a obliquidade de convergência, a geometria da subducção, a direção de deslizamento do megatrust e a deformação da placa superior era inexistente. Essa lacuna dificulta estimativas precisas de acumulação de deformação total, acoplamento sísmico e intervalos de recorrência de terremotos, particularmente porque suposições simplificadoras comuns (de que o deslizamento do megatrust é totalmente normal ou totalmente paralelo à fossa) representam incorretamente a acumulação real de deformação.

Metodologia
Os autores combinam três conjuntos de dados globais para quantificar as obliquidades de convergência e de deslizamento do megatrust: o catálogo Global Centroid Moment Tensor (GCMT) (1976–2020) para mecanismos focais de terremotos, o modelo Slab2 para a geometria da interface de subducção e o Global Strain Rate Model (GSRM) para movimentos de placas. Para cada terremoto de empuxo de interface, eles computam a obliquidade de convergência ($\beta$) e a obliquidade de deslizamento do terremoto ($\alpha$) em relação ao azimute de mergulho local da placa subduzida.

Para explicar a sistemática observada, os autores desenvolvem um modelo de minimização de trabalho mecânico. O modelo compara o trabalho tectônico requerido por duas configurações de deformação extremas:

1. Totalmente Particionada: A deformação paralela à fossa é liberada inteiramente pelo falhamento de transcorrência da placa superior, resultando em um deslizamento do megatrust normal à fossa ($\alpha = 0$).
2. Não Particionada: Toda a deformação oblíqua é liberada pelo deslizamento do megatrust ($\alpha = \beta$).

O modelo assume que os terremotos liberam a deformação elástica acumulada de uma maneira que minimiza o trabalho tectônico total no sistema acoplado de falhas do megatrust e da placa superior. Ao definir uma razão de resistência ao cisalhamento efetiva ($R$) entre o megatrust e as falhas de transcorrência da placa superior, os autores derivam uma expressão analítica para um limite de obliquidade dependente do mergulho ($\beta_{rb}$). Eles também desenvolvem uma formulação contínua para identificar uma obliquidade de deslizamento ideal ($\alpha_{opt}$) que minimize o trabalho total.

Para aplicar este arcabouço, os autores estimam a razão de resistência ao cisalhamento efetiva a nível de população ($R^*$) para 14 zonas de subducção globais. Eles utilizam uma busca em grade para encontrar o valor de $R^*$ que coloca a maior fração dos eventos "particionados" observados (onde $\alpha < \beta$) em um regime consistente com o modelo. Eles também validam essas descobertas contra proxies de tensão independentes derivados de valores-b de terremotos.

Principais Resultados

• Sistemáticas Globais: Globalmente, a maioria dos terremotos de megatrust desliza de forma menos oblíqua que a convergência de placas local ($\alpha < \beta$), mas raramente deslizam em uma direção normal à fossa. As obliquidades de deslizamento médias por segmento variam tipicamente de 10 a 30 graus, desviando-se da suposição comum de deslizamento puramente ortogonal.
• Limite de Obliquidade: Os dados apoiam um limite de obliquidade de deslizamento do megatrust dependente do mergulho. O modelo analítico prevê um regime "Particionado" (uma zona proibida para o deslizamento do megatress) onde a obliquidade de convergência excede um limite determinado pelo mergulho da placa e pela razão de resistência $R$.
• Variabilidade Regional: A análise de quatro margens representativas (Sumatra, Aleutas, Filipinas e Kermadec) revela razões de resistência ótimas ($R^*$) distintas para cada região: Sumatra (1,74), Aleutas (1,41), Filipinas (1,35) e Kermadec (3,75). Esses valores refletem variações locais na resistência do megatrust e nos tipos de rochas da placa superior. No entanto, em todos os casos, as obliquidades de deslizamento observadas alinham-se com a direção de deslizamento ótima dependente do mergulho prevista pelo modelo de minimização de trabalho.
• Particionamento de Deformação: Nas 14 margens avaliadas, aproximadamente 68% dos 10.383 terremotos analisados (e mais de 80% dos eventos de $M_w \ge 7$) deslizam de forma menos oblíqua que a convergência de placas local, indicando que uma fração substancial da deformação paralela à fossa é acomodada pela deformação da placa superior em vez do deslizamento do megatrust.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer uma base mecânica para estimar a acumulação de deformação em megatrusts sob convergência oblíqua. Ao revisar a visão clássica de limiar de particionamento de deformação, os autores argumentam que a transição entre a deformação particionada e não particionada depende não apenas da obliquidade de convergência, mas também criticamente do mergulho da placa e da razão de resistência efetiva entre os sistemas de falhas.

Os autores afirmam que seu arcabouço de minimização de trabalho explica por que as direções de deslizamento do megatrust são geralmente intermediárias entre os membros extremos totalmente particionado e não particionado. Eles alegam que assumir qualquer um dos extremos (deslizamento puramente ortogonal ou deslizamento totalmente paralelo à placa) introduz vieses significativos na estimativa de acumulação de deformação, acoplamento sísmico e intervalos de recorrência. Por exemplo, na zona de subducção de Cascadia, assumir uma direção de deslizamento ótima, em vez de convergência puramente ortogonal ou de convergência total da placa, poderia alterar as estimativas de tempo de recorrência em dezenas de porcentagens.

Além disso, o artigo sugere que este mecanismo dependente do mergulho fornece uma explicação física para a translação do antearco a longo prazo e o movimento de terrenos ao longo do tempo geológico, ligando o particionamento de deformação em escala de terremoto ao transporte tectônico de grande escala sem exigir obliquidade de convergência extrema. A concordância entre as obliquidades de deslizamento observadas e o simples modelo energético sugere que o mergulho da placa é um parâmetro controlador anteriormente subestimado na tectônica de subducção oblíqua.