Shear Waves Characterization of the Sub-surface: Imaging Active Fault and Critical Zone along the Eastern Betic Shear Zone, SE Iberian Peninsula

Abstract

[eng] The Earth System is formed by four components that sustain life: the atmosphere, the biosphere, the hydrosphere and the geosphere. The complex region in which these elements interact is known as the ‘Critical Zone’. The critical zone (CZ) is crucial for our society, as it is host of a diverse range of hydrological, geochemical, and biological processes that operate on numerous scales and shape landscapes, support ecosystems, and control resource availability. The CZ and by extension the shallow subsurface is also the host to human activity and infrastructure, and it is therefore vulnerable to natural hazards, such as extreme weather events, volcanic activity or earthquakes. Thus, it is key to investigate and monitor the shallow subsurface, to understand its geometry, extent and physical properties in order to produce comprehensive hazard assessments that could take place in connection to this important layer.

The southeastern part of the Iberian Peninsula is characterized by moderate but intense earthquake activity that has caused significant damage since historical times. The seismicity in that area is distributed within a relatively broad deformation band parallel to the coast that includes a well-developed strike-slip fracture system. This deformation band is known as the Eastern Betic Shear Zone (EBSZ) and, runs along the southern border of the Guadalentín Depression, it is a densely populated area with extensive agricultural activity. Therefore, the activity of the faults in the EBSZ represents a seismic hazard with a very significant social and economic impact potential.

This memoir focuses in the characterization of the shallow sub-surface structure including the CZ and, characteristics of the Carrascoy and Alhama de Murcia fault systems, SE Iberian Peninsula. To achieve this characterization, different shear wave seismic velocity-depth models based on Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) were constructed. These models were complemented with investigations involving P-wave tomography and/or Electrical Resistivity Tomography (ERT) methods, as well as surface geological observations (e.g. mapping and paleoseismological trench studies) to constrain physical properties models of the subsurface. S-wave velocities were estimated from the surface waves recorded within the controlled-source shot records of conventional normal incidence seismic reflection data. P-wave velocity models were determined from first arrival travel-time tomography. The resulting velocity-depth models revealed: i) the location, geometry and extent of shallow fault zones, and their associated damaged unconsolidated zones, new blind faults were also identified; ii) the thickness of the critical zone and its relation with fault zones in the target areas; and, iii) provide valuable information about the fault network for seismic hazard assessments.

The seismic signature of the fault zones, including these of the multiple blind faults and fractured zones identified in the different profiles, was well demonstrated using 2D velocity depth models (S- and P- waves). Seismic signatures of fault zones and blind faults are indicated in the models by low-velocity anomalies. Vs velocities in the range of 500-1000 m/s and Vp within the range of 1300-1700 m/s. These low values indicate a reduced bulk- and shear-modulus along and around the fault plane. The velocity model images across the Carrascoy and La Torrecilla reveal higher number of faults than what is imaged in the La Salud South and La Salud North profiles. This might be indicative of differences in the maturity degree of the fracture zones involved. Being the former more mature than the latter.

The models obtained have resolved the geometry and characteristics of the CZ in the neighborhood of faults/fracture zones. It is characterized consistently by relatively low seismic velocities Vs < 600 m/s and Vp < 1300 m/s, which is consistent with the expected low resistivity layer of Quaternary alluvial unconsolidated sediments in the La Torrecilla, La Salud North, and La Salud South profiles, as well as the Unidad Roja (Red Unit) and the Pleistocene-Quaternary alluvial in the Carrascoy profile. The thickness of the CZ in La Salud North profile lies within the range from 35-45 m and in La Salud South profile within 40-47.5 m. Furthermore, the thickest CZ layer constrained in the La Torrecilla profile features a thickness of ca. 40-50 m. The thinnest CZ is located in the Carrascoy profile with a thickness of ca. 30-40 m. In addition, the results also reveal a relation between fracture/fault zones and the thickness of the CZ. The presence of faults can contribute to the observed topography of the CZ in two ways: changes in bedrock elevation as a consequence of fault geometry changes and/or an increase in the number of regolith layer fragments, with the CZ layer near the fault zone becoming relatively thicker than in places far away from the fault zone.

The shear wave characterization of the sub-surface presented in this memoir provides a methodological and workflow protocol to study the shallow subsurface in areas with active deformation, providing geometry and depth constraints to the structures interpreted in the geological models based on paleoseismological trenches, and, therefore, these can be used for improving the seismic hazard assessment and provide a detailed characterization of the CZ of this and other tectonically active regions in the world.

[cat] El sistema Terra està format per quatre components que sustenten la vida: l'atmosfera, la biosfera, la hidrosfera i la geosfera. La complexa regió on interactuen aquests elements es coneguda com la ‘Zona Crítica’. La zona crítica (CZ) és crucial per a la nostra societat, ja que acull una àmplia gamma de processos hidrològics, geoquímics i biològics que operen a nombroses escales i donen forma als paisatges, sustenten els ecosistemes i controlen la disponibilitat de recursos. La CZ també és la seu de l'activitat humana i de les infraestructures, per la qual cosa és vulnerable als riscos naturals, com els fenòmens meteorològics extrems, l'activitat volcànica o els terratrèmols. Per això, és fonamental investigar i monitoritzar aquesta capa per comprendre'n la geometria, l'extensió i les propietats físiques per tal d'elaborar avaluacions completes dels perills que podrien produir-se en relació amb aquesta zona tan important. El sud-est de la Península Ibèrica es caracteritza per una moderada però intensa activitat sísmica que ha causat danys importants des de temps històrics. La sismicitat en aquesta zona es distribueix al llarg d'una banda de deformació relativament àmplia, paral·lela a la costa, formada per un sistema de falles amb lliscaments ben desenvolupats, coneguda com la Zona de Cisalla Bètica Oriental (ZCBO). L'ZCBO, que discorre al llarg del límit sud de la Depressió del Guadalentí, és una zona densament poblada i amb una gran activitat agrícola. Per tant, l’activitat de les falles a l’ZCBO representa un perill sísmic amb un impacte social i econòmic potencial molt significatiu. Aquesta memòria es centra en la caracterització de l'estructura i les característiques del subsòl pròxim a la superfície dels sistemes de falles de Carrascoy i Alhama de Múrcia, al SE de la Península Ibèrica. Per aconseguir aquesta caracterització, es van construir diferents models de velocitat-profunditat d'ones de cisalla basats en l'anàlisi multicanal d'ones superficials (MASW). Aquests models també es van combinar amb mètodes de tomografia d'ones P i/o Tomografia de Resistivitat Elèctrica (ERT), així com amb estudis de superfície (per exemple, cartografia geològica i estudi de trinxeres paleosismològiques) com a control, per proporcionar models

millorats del subsòl. Les velocitats de les ones S es van estimar a partir de les ones superficials registrades en les dades sísmiques de reflexió convencionals (font controlada) i la velocitat de les ones P es va determinar a partir de la tomografia de temps de viatge de primeres arribades. El model de velocitat-profunditat resultant va ajudar a determinar els següents punts: i) la identificació de zones de falles poc profundes, incloent una sèrie de falles cegues desconegudes fins al moment; ii) el gruix de la zona crítica i la seva relació amb les zones de falles a les àrees d’estudi; i iii) proporcionar informació valuosa sobre la xarxa de falles per a les avaluacions de risc sísmic. La signatura sísmica de les zones de falla, incloses les de les múltiples falles cegues i les zones fracturades identificades als diferents perfils, va quedar ben demostrada mitjançant models de velocitat en profunditat 2D (ones -S i -P). Les firmes sísmiques de les zones de falla i de les falles cegues es caracteritzen per contrastos de baixa velocitat de Vs 500-1000 m/s i Vp 1300-1700 m/s com a conseqüència de la reducció dels mòduls bulk i cisalla al llarg del plans de falla. Els perfils de Carrascoy i La Torrecilla presenten més concentracions de zones de falla que els perfils de La Salut Sud i La Salut Nord, indicant la possibilitat de tractar-se de falles menys madures. La zona crítica (CZ) es caracteritza per baixes velocitats sísmiques Vs < 600 m/s i Vp < 1300 m/s, la qual cosa és consistent amb la capa d'alta resistivitat esperada dels sediments al·luvials del Quaternari als perfils de La Torrecilla, La Salut Nord i La Salut Sud, així com la Unitat Roja i l'al·luvial Plistocè-Quaternari al perfil de Carrascoy. L'espessor de la CZ al perfil de La Salut Nord oscil·la entre els 35-45 m i al perfil de La Salut Sud entre els 40-47,5 m. A més, la capa de CZ més gruixuda es descobreix al perfil de La Torrecilla amb un gruix d'uns 40-50 m i la CZ més fina es troba al perfil de Carrascoy amb un gruix d'uns 30-40 m. A més, els resultats també demostren la relació de les zones de falles actives amb el gruix de la CZ. La presència de falles pot contribuir a la topografia observada de la CZ de dues maneres: canvis en l'elevació del basament rocós com a conseqüència dels canvis a la geometria de les falles

i/o un augment en el nombre de fragments de la capa de regòlit, sent la capa de la CZ prop de la zona de falla relativament més gruixuda que en llocs allunyats de la zona de falla. La caracterització de les ones de cisalla del subsòl que es presenta en aquest treball proporciona un protocol metodològic i de retroalimentació per estudiar el subsòl suc de les falles actives, complementant els models geològics previs basats en trinxeres paleosismològiques, i, per tant, es poden utilitzar per millorar la avaluació de la perillositat sísmica i l’estudi de les zones crítiques (CZ) d’aquesta i altres regions tectònicament actives del món.

[spa] El Sistema Tierra está formado por cuatro componentes que sustentan la vida: la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera y la geosfera. La compleja región en la que interactúan estos elementos es conocida como la ‘Zona Crítica’. La zona crítica (CZ) es crucial para nuestra sociedad, ya que alberga una amplia gama de procesos hidrológicos, geoquímicos y biológicos que operan a numerosas escalas y dan forma a los paisajes, sustentan los ecosistemas y controlan la disponibilidad de recursos. La CZ y por extensión el subsuelo poco profundo albergan la actividad y las infraestructuras socialmente útiles, por lo que son vulnerables a los riesgos naturales, como los fenómenos meteorológicos extremos, la actividad volcánica o los terremotos. Por ello, es fundamental investigar y monitorizar la CZ, para comprender su geometría, extensión y propiedades físicas con el fin de elaborar evaluaciones completas de los peligros que podrían producirse en relación con esta zona tan importante. El sureste de la Península Ibérica se caracteriza por una moderada pero intensa actividad sísmica que ha causado importantes daños desde tiempos históricos. La sismicidad en esa zona se distribuye a lo largo de una banda de deformación relativamente amplia, paralela a la costa, formada por un sistema de fallas con deslizamientos bien desarrollados, conocida como Zona de Cizalla Bética Oriental (ZCBO). La ZCBO, que discurre a lo largo del límite sur de la Depresión del Guadalentín, es una zona densamente poblada y con una gran actividad agrícola. Por lo tanto, la actividad de las fallas en la ZCBO representa un peligro sísmico con un impacto social y económico potencialmente muy significativo. Esta memoria se centra en la caracterización de la estructura y características-naturaleza del subsuelo somero de los sistemas de fallas/fracturas de Carrascoy y Alhama de Murcia, en el SE de la Península Ibérica. Para lograr esta caracterización, se construyeron diferentes modelos de velocidad-profundidad de ondas de cizalla basados en el Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW siglas en inglés). Se construyeron también modelos de ondas P, y de resistividad mediante métodos de tomografía de ondas P y/o Tomografía de Resistividad Eléctrica

(ERT). También se incorporaron estudios de geología de superficie (por ejemplo, cartografía geológica y estudio de paleosismicidad, trincheras) para proporcionar modelos de propiedades físicas del subsuelo. Las velocidades de las ondas S se estimaron a partir de las ondas superficiales registradas en datos de sísmica de reflexión de incidencia vertical convencional (fuente controlada). La velocidad de las ondas P se determinó a partir de la tomografía de tiempos de viaje de las primeras llegadas de los mismos registros. Los modelos resultantes contribuyeron a determinar los siguientes puntos: i) la identificación de zonas de fallas poco profundas, incluidas una serie de fallas ciegas desconocidas hasta el momento; ii) el grosor de la zona crítica y su relación con las zonas de fallas en las áreas de estudio; y iii) proporcionar información valiosa sobre la red de fallas para las evaluaciones de riesgo sísmico. La firma sísmica de las zonas de falla, incluidas las de las múltiples fallas ciegas y las zonas fracturadas identificadas en los diferentes perfiles, quedó bien reflejada en los modelos de velocidad en función de la profundidad 2D (ondas -S y -P). Las zonas de fractura incluidas las fallas ciegas se caracterizan por reflejar anomalías de velocidad relativamente baja en el orden de Vs 500-1000 m/s y Vp 1300-1700 m/s, esto refleja una reducción de los módulos bulk y de cizalla en el entorno y a lo largo del plano de falla. Los perfiles de Carrascoy y La Torrecilla presentan mayores concentraciones de zonas de fractura (falla) que los perfiles de La Salud Sur y La Salud Norte. Esta disminución posiblemente indica zona de fallas menos maduras. La zona crítica (CZ) se caracteriza, en general, por presentar anomalías de bajas velocidades sísmicas Vs < 600 m/s y Vp < 1300 m/s, lo cual se congelaciona con la capa de baja resistividad esperada en los sedimentos aluviales poco consolidados del Cuaternario en los perfiles de La Torrecilla, La Salud Norte y La Salud Sur, así como la Unidad Roja y el aluvial Pleistoceno- Cuaternario en el perfil de Carrascoy. El espesor de la CZ en el perfil de La Salud Norte oscila entre los 35-45 m y en el perfil de La Salud Sur entre los 40-47,5 m. Además, la capa de CZ más gruesa aparece en el perfil de La Torrecilla con un espesor de unos 40-50 m y la CZ más fina se encuentra en el perfil de Carrascoy con un espesor de unos 30-40 m.

Los modelos también revelan la relación de las zonas de fallas, zonas más fracturadas con el espesor de la CZ. La presencia de fallas puede contribuir a la topografía observada de la CZ de dos maneras: cambios en la elevación del basamento rocoso como consecuencia de los cambios en la geometría de las fallas y/o un aumento en el número de fragmentos de la capa de regolito, siendo la capa de la CZ cerca de la zona de falla relativamente más gruesa que en lugares alejados de la zona de falla. La caracterización de las ondas de cizalla del subsuelo que se presenta en este trabajo proporciona un protocolo metodológico y de retroalimentación para estudiar la CZ y por extensión el subsuelo más somero en el entorno de redes de fracturación, y fallas, proporcionando información sobre su geometría y extensión en profundidad reduciendo la incertidumbre de los modelos geológicos previos basados en trincheras paleosismológicas, y, por tanto, éstos pueden utilizarse para mejorar la evaluación de la peligrosidad sísmica y el estudio de las zonas críticas (CZ) de ésta y otras regiones tectónicamente activas.