Interaction between fast and slow earthquakes along the chilean subduction zone

Abstract

Along the Chilean margin, the rapid subduction of the Nazca plate results in stress accumulation, which is released through the occurrence of large earthquakes, persistent and clustered seismicity (fast signatures), as well as episodes of transient slip, such as short- and long-term slow slip events and afterslip evolution (slow signatures). Despite advances in continuous geophysical observations over the last decade, the detection and characterization of both fast and slow signatures remain challenging. This PhD thesis aims to develop and apply approaches to systematically identify short-term transient slips in geodetic measurements and evaluate their relationship with microseismicity, seismic swarms, and large earthquakes.

First, we developed a novel approach to estimate time-varying instantaneous (daily) velocities from GNSS time series. This method allows us to define proxies for transient deformation intensity at each GPS site. Applied to a global dataset of GNSS data, this approach reveals that transient motion occurs worldwide, driven by many natural processes such as tectonic activity, volcanic events, and landslides, as well as human-induced factors such as water extraction.

Second, we applied this approach to study the evolution of short-term transient deformation along the megathrust in Chile (18°S to 40°S), analyzing over 18 years of daily GPS data from 2006 to 2024. Our findings indicate that (1) most large earthquakes (M>6.5) induce significant transient deformation during their afterslip evolution, (2) specific, well-monitored seismic clusters are correlated with episodes of transient moment release, and (3) some transient episodes occur independently of microseismicity.

Finally, we conducted a detailed analysis of the seismic and aseismic processes during the 2006 Copiapó swarm in North-Central Chile, one of the largest and longest swarms recorded in South America. The seismicity shows a complex migration pattern, transitioning from clustered small earthquakes and doublet events to the development of a potential slow slip event over the first nine days of the sequence. Additionally, we characterized the two largest earthquakes (M~6) that occurred during the sequence and identified a slow slip that likely influenced the swarm’s seismicity. We propose that the co-existence of slow and fast processes in the 2006 Copiapó swarm is driven by the subduction of the Copiapó Ridge seamounts, which promotes complex interactions between seismic and aseismic slip at both the plate interface and in the overriding plate.

La zone de subduction chilienne est caract´eris´ee par l’occurrence de grands tremblements de terre, une sismicit´e persistante et en essaims (glissement rapide), par des ´episodes de glissement transitoire de dur´ee variable, et par du glissement asismique suivant les grands s´eismes (glissement lents). Malgr´e les progr`es r´ecents des observations g´eophysiques visant `a surveiller en continu ces diff´erents modes de glissement, la d´etection et la caract´erisation des signatures rapides et lentes restent difficiles, limitant notre compr´ehension de la dynamique complexe de lib´eration des contraintes `a le long de l’interface de subduction. Cette th`ese de doctorat vise `a identifier syst´ematiquement les glissements transitoires `a court terme `a partir des mesures g´eod´esiques et `a ´evaluer leur relation avec la microsismicit´e, les essaims sismiques et les grands tremblements de terre. Dans un premier temps, nous avons d´evelopp´e une approche innovante pour estimer les vitesses instantan´ees variables dans le temps `a partir des solutions GPS journali`eres. Cette m´ethode permet de fournir un indicateur de l’intensit´e de la d´eformation transitoire `a chaque site GPS. Appliqu´ee `a une base de donn´ees mondiale, elle r´ev`ele la diversit´e des processus contribuant aux d´eformations transitoires tels que l’activit´e tectonique, les ´ev´enements volcaniques et les glissements de terrain, ainsi que des facteurs anthropiques comme la d´eformation induite par l’extraction d’eau. Ensuite, nous avons appliqu´e cette approche pour ´etudier l’´evolution de la d´eformation transitoire `a court terme le long de l’interface des plaques chiliennes (entre 18°S et 40°S), en analysant plus de 18 ans de donn´ees GPS entre 2006 `a 2024. Nos r´esultats indiquent que : (1) la plupart des tremblements de terre (M>6.5) g´en`ere un glissement post-sismique transitoire; (2) certains clusters de sismicit´e bien document´es sont associ´es `a des ´episodes de lib´eration de moment asismique transitoire ; et (3) certains ´episodes transitoires se produisent ind´ependamment de la microsismicit´e. Enfin, nous avons men´e une analyse d´etaill´ee des processus sismiques et asismiques lors de l’essaim sismique de Copiap´o en 2006, dans le nord-centre du Chili, l’un des plus grands essaims enregistr´es en Am´erique du Sud. La sismicit´e indique une ´evolution complexe, passant de petits tremblements de terre en grappes et de s´equences de doublets `a un d´eveloppement d’un glissement lent au cours des neuf premiers jours de la s´equence. De plus, nous avons caract´eris´e les deux plus grands tremblements de terre (M∼6) de la s´equence et identifi´e un processus lent ayant probablement influenc´e la sismicit´e de l’essaim. Nous proposons que l’interaction entre les processus lents et rapides au sein de l’essaim de Copiap´o de 2006 soit favoris´es par la subduction des monts sous-marins de la Dorsale de Copiap´o, induisant des interactions complexes entre les processus sismiques et asismiques non seulement le long de l’interface de subduction mais aussi dans la plaque sup´erieure.

A lo largo del margen chileno, la subducci´on r´apida de la placa de Nazca da lugar a la acumulaci´on de esfuerzos que se liberan a trav´es de la ocurrencia de grandes terremotos, sismicidad persistente y clusterizada (se˜nales r´apidas o fast slip), as´ı como episodios de deformaci´on transitoria, tales como eventos de deslizamiento lento de corto y largo plazo y la evoluci´on del afterslip durante la etapa posts´ısmica del ciclo s´ısmico (se˜nales lentas o slow slip). A pesar de los avances en las observaciones geof´ısicas continuas durante las ´ultimas d´ecadas, la detecci´on y caracterizaci´on de las se˜nales r´apidas y se˜nales lentas sigue siendo un desaf´ıo. Esta tesis doctoral tiene como objetivo desarrollar y aplicar nuevos enfoques para identificar sistem´aticamente deslizamientos transitorios a corto plazo en las mediciones geod´esicas y as´ı, evaluar su relaci´on con la microsismicidad, los enjambres s´ısmicos y los grandes terremotos. En primer lugar, desarrollamos una aproximaci´on novedosa para estimar velocidades instant´aneas (diarias) variables en el tiempo a partir de series temporales GNSS. Este m´etodo nos permite definir indicadores indirectos de la intensidad de la deformaci´on transitoria en cada sitio GPS. Aplicado a un conjunto de datos globales de GNSS, este enfoque revela que el movimiento transitorio se produce en distintas partes del mundo, y estar´ıa impulsado por diversos procesos naturales como la actividad tect´onica, eventos volc´anicos y deslizamientos de tierra, as´ı como factores inducidos por el hombre como la extracci´on de agua. En segundo lugar, aplicamos este enfoque para estudiar la evoluci´on de la deformaci´on transitoria de corto plazo a lo largo del megathrust en Chile (18°S a 40°S), analizando 18 a˜nos de datos GPS diarios desde 2006 hasta 2024. Nuestros resultados indican que (1) la mayor´ıa de los grandes terremotos (M>6.5) inducen una deformaci´on transitoria significativa durante su evoluci´on tras el deslizamiento, (2) enjambres s´ısmicos espec´ıficos y bien monitoreados est´an correlacionados con episodios de liberaci´on de momento transitorio, y (3) algunos episodios transitorios ocurren independientemente de la microsismicidad. Por ´ultimo, realizamos un an´alisis detallado de los procesos s´ısmicos y as´ısmicos durante el enjambre de Copiap´o de 2006 en el centro-norte de Chile, uno de los enjambres m´as extensos registrados en Sudam´erica. La sismicidad muestra un patr´on de migraci´on complejo, pasando de peque˜nos terremotos agrupados y eventos doublets al desarrollo de un potencial evento de deslizamiento lento durante los primeros nueve d´ıas de la secuencia. Adem´as, caracterizamos los dos terremotos de mayor magnitud (M∼6) que ocurrieron durante la secuencia e identificamos un deslizamiento lento que probablemente influy´o en la sismicidad del enjambre. Proponemos que la coexistencia de procesos lentos y r´apidos en el enjambre de Copiap´o de 2006 se debe a la subducci´on de los montes submarinos de la dorsal de Copiap´o, que promueve interacciones complejas entre el deslizamiento s´ısmico y as´ısmico tanto en la interfaz de placas, como en la placa superior.