Kurzfassung I Kurzfassung Im kontinentalen Forearc Nord-Zentral Chiles (30°-31°S) ist eine hohe Konzentration von plattenrandparallelen Störungen zu beobachten. Neotektonische Felduntersuchungen zeigen, daß die Mehrzahl dieser Störungen Sedimente der Plio-Pleistozänen Schichtenfolgen verwerfen. Die Verwerfung der Plio-Pleistozänen Ablagerungen deutet an, dass die kontinentale Kruste aktiven Deformationsprozessen ausgesetzt ist. Die E-W Deformation des Forearc seit dem Plio-/Pleistozän kann auf

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... er Grundlage neotektonischer und bilanzierter Profile, sowie anhand von Dislokationsmodellen abgeschätzt werden. Mit Hilfe satellitengestützter Messungen des horizontalen Deformationsfeldes auf der Basis von GPS-Netzen (SAGA) wird versucht, die rezente Intraplattendeformation des Forearc zu quantifizieren. Aufgrund periodisch wiederkehrender Starkbebenereignisse entlang der Plattengrenze wird vermutet, dass die krustale Deformation entscheidend von den Deformationsprozessen innerhalb der Subduktionszone beeinflusst wird. Der kontinentale Forearc zwischen 30°-31°südlicher Breite setzt sich aus einer stark herausgehobenen Küstenkordillere im Westen und einem mit känozoischen Sedimenten gefüllten Becken im Osten zusammen. Diese strukturellen Einheiten werden durch eine 60 km lange und ca. 65°nach Osten einfallende Störung, der Puerto Aldea Fault, voneinander getrennt. Darüber hinaus wird das känozoische Becken intern durch zahlreiche N-S streichende und vorwiegend nach Osten einfallende Störungen deformiert. Zahlreiche Geländebefunde und die Ergebnisse der elastischen Dislokationsmodellierung erklären die beschriebene Deformation entlang dieser Intraplattenstörungen mit Hilfe koseismischer Relaxationsbewegungen in krustalen Tiefen von 10 − 20 km. Vertikale Versatzbeträge von 2 − 5 m geben Hinweise auf quartäre Beben, die aufgrund ihrer Magnitude (M w 7) mit grosser Wahrscheinlichkeit die Kruste durchschlagen haben. Eine Vielzahl geomorphologischer Aspekte, z.B. gehobene marine Terrassen und Abrasionsplattformen, stark hervortretende Störungsmorphologien, Hangrutsche, (Thermal-)Quellaustritte in unmittelbarer Umgebung von Störungsbahnen und ein in weiten Teilen tektonisch kontrolliertes natürliches Drainagesystem lassen die Schlussfolgerung zu, dass die beobachtete Intraplattendeformation im Arbeitsgebiet rezent aktiv ist. Seit dem Einsetzen des jüngsten Deformationsregimes, zur Zeit des Plio-Pleistozäns, wanderte die Zone der grössten Intraplattendeformation von Osten nach Westen und befindet sich heute ca. 40 − 45 km landeinwärts der Küstenlinie. Geomorphologische Untersuchungen an jungen Verwerfungsabstürzen (fault scarps) in diesem Gebiet ergeben jung-Pleistozäne-Holozäne Störungsalter (10 − 84 ka BP). Die Ergebnisse der Störungsflächenanalyse zeigen, dass während des Plio-/Pleistozäns das Arbeitsgebiet einer dominanten ENE-WSW gerichteten Extension und einer untergeordneten NNW-SSE orientierten Kontraktion unterworfen war. Die Auswertung der kinematischen Daten mit Hilfe der Störungsflächenanalyse weist darauf hin, dass beide Deformationstypen gleichzeitig wirksam waren. Die Grössenordnung der E-W Dehnung, abgeleitet aus der neotektonischen Analyse und der krustalen Bilanzierung des 25 km breiten Forearcs, liegt bei 0.6-3.3%, bezogen auf die letzten 1.2 − 6.5 Ma. Resultierende Deformationsraten variieren zwischen 0.001 − 0.028 µ strain a −1 . Aus dem Residualfeld der GPS-Geschwindigkeiten können fast identische Extensionsrichtungen (ENE-WSW) und Kontraktionsrichtungen (NNW-SSE) abgeleitet werden, wie aus der Störungsflächenanalyse. Die aus GPS-Messungen abgeleiteten E-W Dehnungsraten erreichen 0.038 ± 0.018 µ strain a −1 . Unter Berücksichtigung der geodätischen Dehnungsraten und der Annahme der Konservierung des II Kurzfassung geodätischen Moments entlang der Puerto Aldea Fault ergeben sich Wiederkehrperioden von 500-1500 Jahren für Erdbeben der Stärke M w 7 an dieser Störung. Mit Hilfe eines einfachen Dislokationsmodells der Subduktionszone können vertikale und horizontale Versatzbeträge, die aufgrund starker Subduktionsbeben im kontinentalen Forearc auftreten, abgeschätzt werden. Am Beispiel des Illapel Bebens von 1943 (M w 8.2) wird gezeigt, dass die Küstenkordillere um bis zu 0.4 m herausgehoben wird, während der Bereich des känozoischen Beckens eine geringere Heraushebung oder sogar Absenkung erfährt. Der horizontale Versatzbetrag erreicht in den äussersten Küstenbereichen bis zu 0.8 m in wsw Bewegungsrichtung. Die durch Subduktionsbeben auf den kontinentalen Forearc umgelagerte Deformation erzeugt, ähnlich den aus der neotektonischen Strukturanalyse und den GPS-Residualgeschwindigkeiten abgeleiteten Dehnungshauptachsen, E-W gerichtete Dehnung und N-S gerichtete Kontraktion im Arbeitsgebiet. Die zusätzliche Beanspruchung der Intraplattenstörungen durch die Umlagerung von Deformation und Spannung im Zusammenhang mit starken Subduktionsbeben verringert die Wiederkehrperiode für Intraplattenbeben der Stärke (M w 7) um 40 − 100 Jahre. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die im kontinentalen Forearc beobachtete Deformation in engem Zusammenhang mit grundlegenden tektonischen Prozessen entlang der Plattengrenze steht. Unter Hinzuziehung der Ergebnisse vorangegangener Autoren wird deutlich, dass die hier beschriebene Intraplattendeformation über das Arbeitsgebiet hinaus an verschiedenen Schlüsselstellen mit vergleichbarer struktureller Ausprägung (z.B. Mejillones, Caldera und Arauco Halbinseln) in ähnlicher Form zu beobachten ist. Die offensichtliche Gültigkeit der beschriebenen Forearc-Deformation über sich ändernde plattentektonische Rahmenbedingungen hinweg gibt Anlass zu der Vermutung, dass singuläre Prozesse, wie z.B. das Abtauchen ozeanischer Rücken oder die Verschluckung mächtiger Sedimentpakete als alleinige Ursache für die Hebungsprozesse entlang der chilenischen Küste in Frage gestellt werden müssen. Stattdessen ist der Abstand der Küstenlinie zum Tiefseegraben, bzw. die Lage des kontinentalen Forearc in Bezug auf die seismisch gekoppelten Bereiche der Subduktionszone als entscheidendes Kriterium in diesem Zusammenhang heranzuziehen. Ein übergreifendes Erklärungsmodell bietet das Zusammenspiel von grabenwärtiger Migration des südamerikanischen Kontinents mit aufwärtsgerichteter Translation und basaler Erosion des kontinentalen Forearc entlang der Plattengrenze. Eine Translation des Forearc könnte zu dessen Heraushebung und zur Ausbildung der nach Osten einfallenden Intraplattenstörungen führen, während die basale Erosion den Kontinentalhang übersteilen und zu dessen Kollaps zwingen würde. Vorausgesetzt, diese Prozesse stünden im Gleichgewicht zur grabenwärtigen Migration des südamerikanischen Kontinents, käme es zur Herausbildung eines dynamischen Systems, das langfristig eine Konsumierung des kontinentalen Forearc zur Folge hätte. Abstract III Abstract The continental forearc of North Central Chile (30°-31°S) is characterized by the overall abundance of trench-parallel crustal faults. Neotectonic field studies show that most of these faults ruptured the Plio-Pleistocene sedimentary cover. The displacement of Plio-Pleistocene sediments indicates that the continental crust along this stretch of the Chilean coast is subject to active deformation processes. The E-W deformation in the forearc during Plio-Pleistocene times is approximated based on neotectonic and balanced profiles, and by simple dislocation models. By means of space-geodetic measurements of the horizontal displacement field (SAGA-Network), I attempted to quantify the present-day intraplate deformation rates within the forearc. As a result of periodically reoccurring megathrust events along the plate interface, it is assumed that the observed crustal deformation is largely controlled by deformation processes within the subduction zone. The continental forearc between 30°-31°S latitude mainly consists of the Coastal Cordillera in the west and a basin filled with Cenozoic deposits in the central and eastern part, separated by the prominent Puerto Aldea Fault. In addition, the Cenozoic Basin is internally dissected by numerous N-S striking, predominantly 65°E-dipping intraplate normal faults of up to 60 km length. Abundant field evidence and results from elastic dislocation modeling show that deformation along these intraplate faults is associated with coseismic rupture at crustal depth (10 − 20 km). Vertical offsets within the Plio-Pleistocene sedimentary cover reach up to 2 − 5 m, implying that earthquakes of magnitude M w 7.0 ruptured the study area during the recent geologic past. Numerous geomorphic aspects, i.e. uplifted marine terraces and abrasion platforms, pronounced range-front faults, the occurrence of fresh surface scarps, landslides, thermal springs in association with fault traces, and a tectonically controlled drainage pattern together suggest that intraplate deformation is active throughout the study area. Since the onset of the most recent deformation regime, at the earliest during Plio-Pleistocene times, the intraplate deformation front shifted eastward, away from the coastline. The most recent deformation of the land surface is observed 40 − 45 km inland from the coast. This is supported through studies of degraded fault scarps in this part of the working area, which reveal Late Pleistocene-Holocene faulting ages (10 − 84 ka BP). The fault-slip data analysis shows that the study area is subject to ENE-WSW extension and NNW-SSE contraction. Cross-cutting relationships between fault-slip data and fault/Riedel-shear plane relationships suggest that both deformations occurred simultaneously during Plio-Pleistocene times. The amount of E-W extension as inferred from neotectonic analysis and crustal balancing of the 25 km wide forearc zone approximates 0.6-3.3% for the last 1.2 − 6.5 Ma. Resulting strain rates range between 0.001 − 0.028 µ strain a −1 . GPS residual velocities reveal almost identical extension directions (ENE-WSW) and also indicate trench-parallel shortening (NNW-SSE), counterintuitively to the plate-convergent setting. The GPS-derived E-W strain rates for North-Central Chile range between 0.038 ± 0.018 µ strain a −1 . Invoking conservation of the geodetic strain rates along the Puerto Aldea Fault, recurrence times in the order of 500 − 1500 years for M w 7 intraplate earthquakes are estimated for this fault. Applying a simple dislocation model of the plate interface, the vertical and horizontal displacement of the continental forearc due to large subduction earthquakes can be approximated. For the 1943 Illapel M w 8.2 event, up to 0.4 m of uplift are obtained for the Coastal Cordillera, while the IV Abstract Cenozoic Basin is subject to less pronounced uplift or subsidence. The horizontal displacement reaches up to 0.8 m of west-southwestward motion in the outermost portions of the continental forearc. This produces E-W extensional and N-S contractional strains along the N-S striking intraplate faults, which largely corresponds to principal strain directions that can be inferred from neotectonic field investigations and GPS residual velocity fields. The redistribution of coseismic strains due to interplate earthquakes causes additional loading of intraplate faults, which reduces the estimated recurrence times for M w 7 earthquakes by 40 − 100 years. The results of this study strongly suggest that the deformation observed in the continental forearc is closely associated with general tectonic processes active along the plate interface. Taking into account the results of previous authors who studied forearc tectonics, it becomes very clear that the deformation observed in the study area coincides well with that of several structurally similar regions (Mejillones, Caldera, and Arauco peninsulas) in the Chilean forearc. Because the forearc deformation described here seems to be universally valid regardless of the particular plate-tectonic setting, it has to be reconsidered if individual processes such as oceanic ridge subduction or the subduction of large sediment packages represent the only possible causes for strong uplift of marine terraces along the Chilean coasts. Instead, the distance between the coastline and the trench or the position of the continental forearc with respect to the coupled portions of the plate interface appear to be far more important criteria. A unifying model for the understanding of the deformation processes along the Nazca-South America plate boundary is provided by trenchward migration of the SA continent in association with updip translation and basal erosion of the continental forearc. Updip translation could result in the emergence of the continental forearc and the formation of E-dipping intraplate faults, while the basal erosion would lead to an oversteepening of the continental slope and to its subsequent collapse. Provided these processes equilibrate with the trenchward migration of the South American continent, a dynamic equilibrium would eventually be established, which would in the long term cause a consumption or tectonic erosion of the overriding plate. References 102 Appendix 112 Acknowledgements 126 Curriculum Vitae 127