Estructura friccional de la mega-falla inversa del margen de subducción Chileno = Frictional structure of the Chilean megathrust.

Abstract

Las zonas de subducción tipo chilena se dan en márgenes convergentes entre una placa oceánica y continental. El contacto entre placas da lugar a la mega-falla inversa o megathrust en inglés. Aquí es donde se localiza la zona sismogénica y donde los terremotos más destructivos ocurren. Estos son repentinas dislocaciones que ocurren una vez la resistencia de la falla se ve superada debido a los esfuerzos tectónicos generados por la colisión entre la placa superior e inferior. Se ha reportado que los terremotos responden a periodos de carga y descarga de esfuerzos elásticos, proceso conocido como el ciclo sísmico, que finalmente culmina con el deslizamiento relativo entre ambas placas. El deslizamiento máximo tiende a desarrollarse en zonas de alta fricción conocidas como asperezas sísmicas, mientras que regiones con menor deslizamiento (baja fricción), muchas veces inhibiendo la propagación de terremotos, corresponden a barreras sísmicas. Esto se debe a que las zonas de alta fricción permanecen acopladas durante el proceso de carga (intersísmico), generando déficit de deslizamiento que debe ser eventualmente liberado. Generalmente las barreras se asocian a un bajo acoplamiento intersísmico. Esta distribución heterogénea de propiedades friccionales puede ser definida como la estructura friccional del megathrust. Gracias a observaciones geológicas e instrumentales se ha podido inferir que segmentos de distinta extensión parecieran ser caracterizados por ciclos sísmicos de distinta duración, dando lugar a la segmentación sísmica. La segmentación de terremotos a lo largo de zonas de subducción es importante ya que da ideas de la máxima extensión de un terremoto, lo cual impacta directamente el riesgo sísmico. Es probable que la presencia de distintos segmentos sísmogénicos respondan a una heterogénea estructura friccional del megathrust. No obstante, los mecanismos controlando tal estructura y por lo tanto la segmentación sismogénica y su persistencia, aún no son totalmente comprendidos. Algunas pistas acerca de los factores modulando la estructura friccional viene de la correlación espacial entre estructuras geológicas de la placa oceánica-continental (estructura geológica del ante arco) y la extensión de terremotos. Esta tesis propone como hipótesis que la estructura geológica del ante-arco controla la estructura friccional del megathrust. Para validar esta hipótesis, se propone 6 utilizar el margen chileno dado su amplio registro sísmico y la variedad de ambientes geológicos, convirtiendo a la zona de subducción chilena como un verdadero laboratorio natural. Mediante el empleo de Análisis por Componentes Principales, se logra estimar la correlación espacial entre distintos campos geofísicos y geológicos utilizados para iluminar la estructura friccional. A partir de esto se muestra que el primer componente de los campos muestra una clara relación con la distribución de sismicidad, sugiriendo que el primer componente representa el primer orden de la estructura friccional del margen Chileno. Esto es utilizado para construir el primer modelo formal de segmentación para Chile, el cual puede ser aplicado para la mejor evaluación de riesgo sísmico en el país y/o en otra zona de subducción. Por otro lado, los resultados indican que la zona norte del país (18°-33°S) es caracterizada por un megathrust mucho más inestable, propiciado por un ante-arco denso y pesado. El sur (33°-44°S), sin embargo, es gobernado por un régimen condicionalmente estable, lo cual es causado por un antearco más liviano y menos denso. Esto explicaría porqué el norte de Chile pareciera experimentar terremotos de mediana magnitud pero alta recurrencia temporal, al contrario del sur donde gigantes terremotos sacuden el margen, pero con una recurrencia menor. Interesantemente, de los segmentos unitarios obtenidos se infieren potenciales asperezas sísmicas que se correlacionan con la presencia de estructuras oceánicas y corticales de la placa de Nazca y Sudamérica, respectivamente. Adicionalmente, del modelo de segmentación, se logran distinguir posibles barreras sísmicas. A través de simulaciones numéricas del ciclo sísmico, se demuestra que la naturaleza física de barreras sísmicas puede ser generado por la presencia de material Velocity Weakening que promueve un comportamiento condicionalmente estable. Los múltiples patrones de deslizamientos albergados por estas barreras son similares a los observados en fallas reales, apoyando la idea de que nuestra conjetura de barreras condicionalmente estables es plausible. Por otro lado, las simulaciones muestran que estas barreras pueden estar acopladas, desafiando la visión de que solo asperezas sísmicas pueden desarrollar este comportamiento. Además explicando la observación de porque algunos sectores reconocidos como 7 barreras presentan un alto acople. Usando la teoría de mecánica de la fractura, se logra construir un parámetro adimensional para medir la eficiencia de las barreras y el cual se puede aplicar para anticipar el comportamiento de barreras naturales. Esto tiene un fuerte impacto en los avances sobre modelos físicos de riesgo sísmico. Esta tesis proporciona una base teórica que explica la relación entre la estructura geológica del ante arco y la estructura friccional del megathrust, sugiriendo además que esta última es persistente a escala geológica. Básicamente, la presencia de montes marinos, ridges asísmicos y/o zonas de fractura generarían una distribución heterogénea de la resistencia de la falla a esfuerzos. Similar sería el efecto de la estructura de la densidad del ante-arco mediante su efecto en el estrés normal, explicando entonces los mecanismos detrás de la segmentación sismogénica en el país y otras zonas de subducción. Finalmente se valida nuestra hipótesis a través de una amplia discusión al final de este manuscrito y se discuten los alcances de este trabajo en el riesgo sísmico del país y la física de terremotos como también la segmentación en fallas reales.