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Kübler, Simon (2013): Active tectonics of the Lower Rhine Graben (NW Central Europe): based on new paleoseismological constraints and implications for coseismic rupture processes in unconsolidated gravels. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften
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Abstract

Identification of active seismogenic faults in low-strain intraplate regions is a major challenge. The understanding of intraplate earthquakes is hampered by the spatiotemporal scattering of large earthquakes and by barely detectable strain accumulation. In populated humid regions, both hillslope and anthropogenic processes are important challenges to the recognition of potentially active faults. The Lower Rhine Graben is the NW segment of the European Cenozoic Rift System. It is a prime example of a seismically active low-strain rift situated in a humid and densely populated region. The approximate location of potentially active fault segments in this region is well known, but knowledge of the recurrence of large earthquakes and of the dominant fault slip mode is still rudimentary. The current debate ranges from slip dominated by repeated large earthquakes to slip dominated by aseismic creep. The purpose of this thesis is to determine whether the Lower Rhine Graben is an exception to the usually observed deformational behaviour of the upper crust, whereby active faults fail by brittle behaviour. The thesis addresses the Holocene, historical and present-day tectonic activity of the Lower Rhine Graben. It examines the signs of coseismic deformation in the geological record, and the surface expression of active fault segments. I analyzed high-resolution LiDAR terrain models of segments of the Erft and Wissersheimer faults, in order to understand the preservation potential of active fault scarps in populated, humid settings. Results of the LiDAR analysis illustrate that the central part of the Lower Rhine Graben is characterized by severe degradation and modification of suspected seismogenic structures. Degradation is due to fluvial erosion, hillslope processes and anthropogenic overprint. This analysis shows, also for the first time, the severity of surface modification of the region resulting from aerial bombing during World War II. A large trench excavation at the Schafberg fault in Holocene sediments yielded a broadly distributed fault zone with a peculiar abundance of fractured clasts. A particular question at this site is whether or not the fault ruptured in the 1756 AD Düren event. The excavation reveals the first evidence of historical seismogenic faulting in the Lower Rhine Graben. Coseismic deformation at this site is expressed by a net vertical displacement of 1 ± 0.2 m and complex gravel fracturing. Analysis of the faulted strata and radiocarbon ages of event horizons reveal evidence of at least one, possibly two coseismic events since the Holocene. The youngest of them overlaps with the 1756 AD Düren earthquake. The complex deformation pattern in the trench included a range of features such as liquefaction, rotated, and fractured clasts in the fault zone. I developed a new analysis technique based on “fractured-clasts”, which allows insight into coseismic rupture and fracture processes in unconsolidated gravel deposits. Results of this paleoseismic study show that faults in the Lower Rhine Graben do not move dominantly by aseismic creep. They further support the observation that faults in low-strain intraplate rifts can produce large surface-breaking earthquakes. The results of this thesis further imply that specific patterns of fractured clasts in fault zones may be a detector of coseismic rupture, and could in principle be used to calculate the energy involved in the rupture process.

Abstract

In der Erdbebengeologie stellt die Identifizierung und Charakterisierung von seismogenen Strukturen in Intraplattenregionen mit niedrigen Deformationsraten eine große Herausforderung dar. Die stark variable, räumliche und zeitliche Verteilung von großen Erdbeben sowie kaum mit geodätischen Messmethoden erfassbare Verformungsraten erschweren das Verständnis von Intraplattenbeben. In dicht besiedelten, humiden Gebieten sind potenziell aktive Störungen noch schwerer zu erkennen, da diese, durch Hangprozesse und anthropogene Überprägung, intensiven Veränderungen unterworfen sind. Die Niederrheinische Bucht, das nordwestliche Segment des Europäischen Känozoischen Graben Systems, ist ein erstklassiges Beispiel für ein seismisch aktives Intraplattenrift in einem humiden und dicht besiedelten Gebiet. Obwohl die Lokationen potenziell aktiver Störungen bekannt sind, ist die Kenntnis bezüglich der Rekurrenzintervalle von großen Erdbeben sowie der Art der Störungsbewegungen nach wie vor rudimentär. Die derzeitige Debatte reicht von Störungsbewegungen durch starke Erdbeben, bis hin zu aseismischem Kriechen. Ziel dieser Arbeit ist es zu klären, ob der Niederrheingraben eine Ausnahme in Bezug auf das grundsätzlich beobachtete Deformationsverhalten der oberen Kruste darstellt, wo aktive Störungen durch sprödes Bruchverhalten charakterisiert sind. Hierbei befasst sich die Studie mit der Holozänen, historischen und heutigen tektonischen Aktivität des Niederrheingrabens und legt den Fokus auf die Erforschung koseismischer Prägung der Geologie sowie der Oberflächenexpression potenziell aktiver Störungen. Es wurden hochauflösende LiDAR-Geländemodelle an Segmenten der Erft- und Wissersheimer Störung in der zentralen Niederrheinischen Bucht untersucht, um das Erhaltungspotenzial aktiver Störungen in besiedelten, humiden Gebieten zu charakerisieren. Die Ergebnisse der LiDAR-Analyse offenbaren, dass seismogene Strukturen im zentralen Teil des Niederrheingrabens starker Degradation und Modifikation unterworfen sind. Hauptursachen hierfür sind fluviatile Erosion, Hangprozesse, sowie anthropogene Überprägung. In dieser Analyse konnte zudem erstmals die Schwere der Oberflächenveränderung in der Region, ausgelöst durch Fliegerbomben aus dem Zweiten Weltkrieg, dargestellt werden. In einer groß angelegten Schürfgrabenanalyse in Holozänen Sedimenten an der Schafbergstörung, wurde eine breite Deformationszone, die eine auffallend große Anzahl zerbrochener Klasten enthielt, freigelegt. Insbesondere ist es wichtig zu klären, ob diese Störung während des Dürener Bebens von 1756 AD gebrochen ist. Die Ergebnisse der Schürfgrabenanalysen an der Schafbergstörung liefern den ersten Beweis dafür, dass Erdbeben im Niederrheingraben in historischer Zeit die Oberfläche gebrochen haben. An diesem Störungssegment äußert sich die koseismische Deformation durch einen Gesamtversatz von 1 ± 0.2 m und komplexem verbreitetem Brechen von Klasten. Die Analyse mit-verworfener Schichten sowie Radiokarbondatierungen von Ereignishorizonten beweisen mindestens ein, möglicherweise zwei Holozäne koseismische Ereignisse. Das Jüngste der Beiden deckt sich hierbei mit dem Dürener Beben von 1756 AD. In der im Schürfgraben freigelegten Störungszone wurden komplexe Deformationsmuster wie Liquefaktion sowie rotierte und gebrochene Klasten dokumentiert. Basierend auf den gebrochenen Klasten habe ich in meiner Arbeit eine neue Analysetechnik entwickelt, die es ermöglicht, detaillierte Einblicke in koseismische Bruchprozesse in unverfestigten Geröllen zu erhalten. Die Ergebnisse dieser paläoseismologischen Studie weisen darauf hin, dass Störungen im Niederrheingraben nicht aseismisch kriechen. Darüber hinaus festigen sie die Beobachtung, dass Störungen in Intraplattenrifts mit niedrigen Deformationsraten, in der Lage sind, große Erdbeben mit Oberflächenruptur zu erzeugen. Die Daten dieser Studie zeigen des Weiteren, dass spezifische Muster gebrochener Klasten in Störungszonen ein möglicher Detektor koseismischer Rupturen sein können und demzufolge zur Energieberechnung des Rupturprozesses genutzt werden können.