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Spatio-temporal variability of subduction zone seismicity from seismo-thermo-mechanical models

English title Spatio-temporal variability of subduction zone seismicity from seismo-thermo-mechanical modelses
Applicant Gerya Taras
Number 153524
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.04.2014 - 31.03.2017
Approved amount 179'550.00
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Keywords (5)

seismo-thermo-mechanical models; megathrust earthquakes; subduction zones; off-megathrust seismicity; earthquake source physics

Lay Summary (German)

Lead
Die katastrophalen Erdbeben im Jahr 2011 vor Tohoku (Mw 9) und im Jahr 2004 vor Sumatra (Mw 9.2) illustrieren die desaströsen Auswirkungen, die Erdbeben an Megaüberschiebungen (Mw >8.5) in Subduktionszonen auf den Menschen und die Wirtschaft haben. Zudem offenbaren sie unser eingeschränktes physikalisches Verständnis davon, wo und wann diese Erdbeben auftreten. Ein vielversprechender Ansatz, um dieses Verständnis zu erweitern, stellt unsere vor Kurzem entwickelte, numerische (“seismisch-thermisch-mechanische”) Methode dar. Dieser auf der Kontinuumsmechanik beruhende Ansatz verbindet den lang andauernden Prozess der Subduktion und die damit zusammenhängenden, kurzzeitigen Erdbebenprozesse auf eine physikalisch konsistente Art und Weise. Mithilfe einer systematischen Parameterstudie wollen wir eine physikalische Antwort auf die Schlüsselfrage finden, in welchen Abschnitten der Subduktionszonen Erdbeben an Megaüberschiebungen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit entstehen.
Lay summary

Die katastrophalen Erdbeben im Jahr 2011 vor Tohoku (Mw 9) und im Jahr 2004 vor Sumatra (Mw 9.2) illustrieren die desaströsen Auswirkungen, die Erdbeben an Megaüberschiebungen (Mw >8.5) in Subduktionszonen auf den Menschen und die Wirtschaft haben. Zudem offenbaren sie unser eingeschränktes physikalisches Verständnis davon, wo und wann diese Erdbeben auftreten. Ein vielversprechender Ansatz, um dieses Verständnis zu erweitern, stellt unsere vor Kurzem entwickelte, numerische (“seismisch-thermisch-mechanische”) Methode dar. Dieser auf der Kontinuumsmechanik beruhende Ansatz verbindet den lang andauernden Prozess der Subduktion und die damit zusammenhängenden, kurzzeitigen Erdbebenprozesse auf eine physikalisch konsistente Art und Weise.

Die Zielsetzung dieses multidisziplinären Forschungsprojektes ist es, die für die Subduktionszonen charakteristischen physikalischen Parameter zu finden, welche auf die räumliche und zeitliche Variabilität der Seismizität einen grossen Einfluss haben. Dabei werden Erdbeben sowohl an als auch ausserhalb von Megaüberschiebungen berücksichtigt. Mithilfe einer systematischen Parameterstudie wollen wir eine physikalische Antwort auf die Schlüsselfrage finden, in welchen Abschnitten der Subduktionszonen Erdbeben an Megaüberschiebungen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit entstehen. Auf den numerischen Resultaten basierend werden wir eine globale Karte zur Verfügung stellen, auf der die Einstufung der Seismizität für einen langen Zeitraum in jedem der 62 Abschnitte der weltweiten Subduktionszonen dargestellt wird. Diese Karte könnte später für die langfristige Gefährdungsbeurteilung verwendet werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 17.04.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Introduction to Numerical Geodynamic Modelling
Gerya Taras (2019), Introduction to Numerical Geodynamic Modelling, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom.
An Invariant Rate- and State-Dependent Friction Formulation for Viscoeastoplastic Earthquake Cycle Simulations
Herrendörfer Robert, Gerya Taras, van Dinther Ylona (2018), An Invariant Rate- and State-Dependent Friction Formulation for Viscoeastoplastic Earthquake Cycle Simulations, in Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123(6), 5018-5051.
Origin, evolution, seismicity and models of oceanic and continental transform boundaries.
Gerya Taras (2016), Origin, evolution, seismicity and models of oceanic and continental transform boundaries., in Duarte J. Schellart W. (ed.), John Wiley & Sons, American Geophysical Union, 39.
Interplate deformation at early-stage oblique subduction: 3-D thermomechanical numerical modelingThree-Dimensional Modeling of Interplate Deformation
Malatesta Cristina, Gerya Taras, Crispini Laura, Federico Laura, Capponi Giovanni (2016), Interplate deformation at early-stage oblique subduction: 3-D thermomechanical numerical modelingThree-Dimensional Modeling of Interplate Deformation, in Tectonics, 35(7), 1610-1625.
Tectonic overpressure and underpressure in lithospheric tectonics and metamorphism
Gerya T. (2015), Tectonic overpressure and underpressure in lithospheric tectonics and metamorphism, in Journal of Metamorphic Geology, 33(8), 785-800.
Earthquake supercycle in subduction zones controlled by the width of the seismogenic zone
Herrendoerfer R. van Dinther Y. Gerya T. Dalguer L. A. (2015), Earthquake supercycle in subduction zones controlled by the width of the seismogenic zone, in Nature Geoscience, 8, 471-474.
Controls of seismogenic zone width and subduction velocity on interplate seismicity: insights from analog and numerical models
Corbi F. Herrendoerfer R. Funiciello F. Van Dinther Y., Controls of seismogenic zone width and subduction velocity on interplate seismicity: insights from analog and numerical models, in Geophysical Research Letters, 1.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr. Francesca Funiciello, University "Roma Tre" Italy (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Dr. Andreas Fichtner, ETH-Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Supercycles in subduction zones ETH News International 2015

Awards

Title Year
Outstanding Student Paper Award EGU 2016 2016

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169880 Spatio-temporal variability of subduction zone seismicity from 2D and 3D seismo-thermo-mechanical models 01.04.2017 Project funding
125274 Genesis of mega-thrust earthquakes events at convergent plate boundaries: 3D modelling of seismic coupling combining geodynamic and earthquake-faulting models 01.06.2009 Project funding

Abstract

The catastrophic occurrence of the 2011 M9.0 Tohoku and 2004 M9.2 Sumatra earthquakes illustrated the disastrous human and economic impact of megathrust earthquakes (Mw>8.5) and our limited physical understanding of where and when these megathrust earthquakes may strike. The necessary improvement of long-term seismic hazard assessment requires a better physical understanding of the spatiotemporal variability of subduction zone seismicity. Numerical models have the potential to overcome the main obstacle that limits our understanding: restricted, direct observations in both time and space. One promising numerical modeling approach is the recently developed seismo-thermo-mechanical modeling approach (STM). This continuum-mechanics based, visco-elasto-plastic approach combines the long-term subduction dynamics and associated short-term seismicity in a physically consistent manner. Additional advantages of this STM approach include the physically-consistent emergence of rupture paths, both on- and off-megathrust, and the inclusion of three key ingredients for seismic cycling; rate-dependent friction, slow tectonic loading and visco-elastic relaxation. This with SNSF-support developed state-of-the-art methodology (SNSF-project 200021-125274 4) is here proposed to be explored and applied by a highly qualified PhD student. He will be supervised by the original team of distinguished, complementary expertise in geodynamic numerical modeling, earthquake seismology and seismic hazard assessment. The objective of this multi-disciplinary research is to delineate the role of the relevant physical parameters characterizing subduction zones that are responsible for the spatiotemporal variability of subduction zone seismicity, both on- and off- the megathrust. Through a systematic parameter study, this research intends to provide a physical basis for answering the key seismological question along which subduction zone segments megathrust earthquakes are more likely to happen. By step-wise increasing the complexity of the model setup, we will subsequently analyze a) the 2D spatial variability of megathrust seismicity as a function of subduction velocity, slab age, sediment thickness, overriding plate Moho depth, and serpentinite thickness, b) the 2D spatiotemporal variability of physically-consistently evolving outerrise and splay faulting events as a function of the first three before mentioned parameters, and c) extend these results to three dimensions and analyze the role of upper plate strain (UPS) and sediment thickness and apply these results to analyze the long-term seismicity in northeastern Japan. These interseismic, coseismic and postseismic results will be compared to a by our collaborators developed global database, which includes both these geodynamic properties and different classes of megathrust, oceanic slab and overriding plate seismicity data. By combining these anticipated results, we propose to deliver a global map highlighting the potential modelling-based long-term seismicity regimes of the 62 subduction zone segments spanning the globe. This map could latter be used for long-term seismic hazard assessment purposes. To accomplish this we request funding to for three years cover one PhD student and related research costs.
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