Unexpected coseismic surface uplift at Tirúa-Mocha Island area of south Chile before and during the Mw 8.8 Maule 2010 earthquake: a possible upper plate splay fault

Abstract

The Tirúa-Mocha Island area (38.2°-38.4° S) in southern Chile has been affected by two megaearthquakes in only 50 years: the 1960 Mw=9.5 Valdivia earthquake and 2010 Mw=8.8 Maule earthquake. We studied in the field the vertical ground movements occurred during the interseismic period between both earthquakes and the coseismic period of 2010 Maule earthquake and 2011 Mw=7.1 Araucanía earthquake. During the 1960 earthquake, vertical coseismic ground movements are typical of subduction related earthquakes with Mocha Island, located close to the trench, experienced bigger ground uplift (150 cm) than that occurred in Tirúa (-20 cm), place located in the continental margin at the latitude of Mocha Island. Then during the 1960-2010 interseismic period, the 1960 coseismic uplift remained at Mocha Island unlike the normal interseismic subsidence that occurred northward at Arauco Peninsula and Santa María Island. Also Tirúa experienced the biggest interseismic uplift (180 cm) in all the area affected later by 2010 Maule earthquake. Then during the 2010 Mw=8.8 Maule earthquake an anomalous vertical coseismic ground uplift occurred in the study area, opposite to that of 1960 since Mocha Island experienced lower (25 cm) ground uplift than Tirúa (90 cm). Subsequently, during the Araucanía 2011 earthquake a ground uplift in Mocha Island (50 cm) and subsidence at Tirúa (20 cm) occurred. These unexpected vertical ground movements can be explained by the existence of an upper plate splay fault located below the sea bottom between Tirúa and Mocha Island: the Tirúa-Mocha splay fault. Considering the last seismic cycle, the activity of this fault would have started after the 1960 Valdivia earthquake. During 2010 Maule earthquake, the main slip occurred at Tirúa Mocha splay fault. Finally during 2011 Araucanía earthquake, the slip occurred mainly at the updip of Wadati-Benioff plane with probable normal activity of Tirúa-Mocha splay fault. Simple elastic dislocation models considering the Wadati-Benioff plane and the Tirúa-Mocha splay fault activity, can account for all the vertical ground movements observed during 1960 earthquake, the 1960-2010 interseismic period, the 2010 Maule earthquake and the 2011 Araucanía earthquake.

El área de Tirúa-Isla Mocha (38,2° S-38,4° S) ubicada en el sur de Chile ha sido afectada por dos megaterremotos en solo 50 años: el terremoto de Valdivia Mw=9,5 de 1960 y el terremoto del Maule Mw=8,8 de 2010. Se estudiaron en el campo los movimientos verticales del terreno asociados al período intersísmico entre estos terremotos y los cosísmicos relacionados con los terremotos del Maule 2010 y Araucanía 2011 Mw=7,1. Durante el terremoto de 1960, los movimientos cosísmicos verticales del terreno fueron los esperados, ya que la isla Mocha, localizada cerca de la fosa experimentó mayor alzamiento (150 cm) que Tirúa (-20 cm), localidad situada en el margen continental frente a esta isla. Luego, durante el período intersísmico (1960-2010), el alzamiento cosísmico de 1960 permaneció en la isla Mocha a diferencia de la subsidencia intersísmica normal que ocurrió más al norte en la península de Arauco e isla Santa María. Además, Tirúa experimentó la mayor tasa de alzamiento intersísmico (180 cm) en el área afectada posteriormente por el terremoto de Maule de 2010. Después en el terremoto del Maule Mw=8,8 de 2010, ocurrió un alzamiento cosísmico vertical anómalo opuesto al de 1960, donde la isla Mocha experimentó menor alzamiento (25 cm) que Tirúa (90 cm). Más tarde durante el terremoto de Araucanía del año 2011, ocurrió un alzamiento del terreno en isla Mocha (50 cm) y subsidencia en Tirúa (20 cm). Estas anomalías pueden ser explicadas por la existencia de una falla subsidiaria en la placa superior, localizada bajo el piso oceánico entre Tirúa y la Isla Mocha: la falla subsidiaria Tirúa-Mocha. Considerando el último ciclo sísmico, la actividad de esta falla habría comenzado después del terremoto de Valdivia de 1960. Durante el terremoto de Maule de 2010, el deslizamiento principal ocurrió en la falla subsidiaria Tirúa-Mocha. Finalmente durante el terremoto de Araucanía de 2011, el deslizamiento ocurrió principalmente en la parte superior del plano de Wadati-Benioff con probable actividad normal de la falla subsidiaria Tirúa-Mocha. Modelos de dislocación elástica simples, considerando el plano de Wadati-Benioff y la falla subsidiaria de Tirúa-Mocha y su actividad, explican todos los movimientos verticales del período intersísmico 1960-2010, y los cosísmicos de los terremotos del Maule del 2010 y Araucanía del 2011.