[Scheck-Wenderoth] Deformation mechanisms along the Main Marmara Fault DeMMaF

German Title: Deformation mechanisms along the Main Marmara Fault DeMMaF

Abbreviation: 424

Current Status: approved


Main Applicant:Prof. Dr. Magdalena Scheck-Wenderoth


Resources Recipient


Other Persons

Dr. Mauro Cacace
Dr. Oliver Heidbach


Conveyor Begin: 1 March, 2021
Conveyor End:
Conveyor Duration: 36
Year: 2021


Description

The Main Marmara Fault (MMF) in NW Turkey south of Istanbul is a segment of the North Anatolian Fault Zone (NAFZ) that constitutes a right-lateral continental transform fault. Several well- documented strong (M7+) earthquakes indicate that the MMF is a mature active fault with high seismic hazard that poses a great risk to the Istanbul metropolitan region. Along the MMF a 150 km long stretch represents a seismic gap and historical records indicate that the fault is overdue. So far it is unclear whether the seismic gap will rupture in a single large earthquake or several smaller ones and if the next large earthquake would nucleate in the west and propagates towards Istanbul or the other way around. Therefore, the main objective of this proposal is to assess how the rheological configuration of the lithosphere in concert with fluid dynamics influence the present-day
deformation along the MMF in the Marmara Sea region. We test the following hypotheses: (1) the seismic gap is related to the mechanical segmentation along the MMF which originates in the rheological configuration of the crust and lithosphere; (2) variations in deformation mechanisms with depth in response to variations in temperature and (fluid) pressure control the mode of seismic activity along the MMF and (3) stress and strain concentrations due to the strength variability can be used as indicator for the nucleation area of the expected strong earthquake. To assess what mechanisms control the deformation along the MMF, we use data collected at the ICDP GONAF observatory (International Continental Drilling Programme – Geophysical Observatory at the North Anatolian Fault) and a combined work flow of data integration and process modelling to derive a quantitative description of the physical state of the MMF and its surrounding crust and upper mantle. Seismic and strain observations from the ICDP-GONAF site are integrated with regional observations on active seismicity, on the present-day deformation field at the surface, on the deep structure (crust and upper mantle) and on the present-day stress and thermal fields. Numerical simulations of coupled thermo-hydraulic-mechanical processes based on the observation-derived 3D models will complement the work flow to evaluate the first order controlling factors for seismic hazard. With an across-scale approach we first develop a regional lithosphere-scale model of the Marmara Sea region as a base to simulate the present-day thermal, stress and deformation fields. This model will be used to extract boundary conditions for two local models that zoom into the areas at the eastern and western tip of the MMF seismic gap representing potential areas for the nucleation point of the next rupture of the MMF. For these local models coupled thermo- hydro-mechanical mechanical simulations will address how the regional configuration interacts with local variations in permeability distribution and fluid motion.

 

Die Haupt-Marmara-Störung (Main Marmara Fault: MMF) verläuft südlich von Istanbul im NW der Türkei. Sie ist Teil der dextralen Nordanatolischen intrakontinentalen Transformstörung. Mehrere gut dokumentierte starke (M7+) Erdbeben zeigen, dass die MMF eine aktive Störung ist, die für die Metropole Istanbul ein beträchtliches seismisches Gefährdungspotential birgt. Dabei stellt ein etwa 150 km langer Abschnitt eine seismische Lücke dar und historische Aufzeichnungen weisen darauf hin, dass ein Bruch in diesem Abschnitt überfällig ist. Bislang ist ungeklärt, ob sich ein solcher Bruch in Form eines einzelnen, sehr starken Bebens oder in mehreren weniger straken Beben manifestieren wird und ob das nächste große Beben im Westen startet, um sich in Richtung Istanbul auszubreiten oder umgekehrt. Vor diesem Hintergrund untersucht dieses Projekt wie die rheologische Konfiguration der Lithosphäre und die Fluiddynamik in der Kruste zusammenwirken, um die heutige Deformation zu steuern. Dazu werden drei Hypothesen getestet: (1) Die seismische Lücke ist das Ergebnis einer mechanischen Segmentierung entlang der MMF, die auf die rheologische Konfiguration der Lithosphäre zurück zu führen ist; (2) Die sich aufgrund von Temperatur und (Poren)Druckvariationen mit der Tiefe ändernden Deformationsmechanismen steuern die seismische Aktivität entlang der MMF und (3) Stress- und Strain- Konzentrationen aufgrund unterschiedlicher Rheologien können als Indikator für den Ursprungsort des erwarteten großen Bebens betrachtet werden. Um die Deformationsmechanismen entlang der MMF zu entschlüsseln und die Hauptkontrollfaktoren für die seismische Gefährdung zu ermitteln, werden wir Daten aus dem ICDP GONAF Observatorium (International Continental Drilling Programme – Geophysical Observatory at the North Anatolian Fault) mit weiteren Beobachtungen und Prozessmodellierungen integrieren und so den physikalischen Zustand der MMF und ihrer umgebenden Lithosphäre quantitativ beschreiben. In ICDP-GONAF gewonnene Beobachtungen werden mit regionalen Daten zu aktiver Seismizität, zum Deformationsfeld an der Oberfläche, zur Struktur der Lithosphäre sowie zum heutigen Spannungs- und Temperaturfeld in datengestützte 3D Modelle integriert. Mit einem skalenübergreifenden Ansatz wird zunächst ein regionales, lithosphärenskaliges Modell des Gebietes um die Marmara See genutzt, um das heutige Temperatur-, Spannungs- und Deformationsfeld zu simulieren. Aus dem regionalen Modell werden thermische und mechanische Randbedingungen für zwei lokale, höheraufgelöste Modelle extrahiert, um mit 3D Simulationen gekoppelter thermisch-hydraulisch-mechanischer Prozesse zu untersuchen, wie die regionale Konfiguration lokal mit Fluidbewegung interagiert. Diese lokalen Modelle werden das östliche und westliche Ende der seismischen Lücke abbilden, da diese Regionen mögliche Startlokationen für das nächste große Beben entlang der MMF darstellen.