Structural evolution of the El Salvador Fault Zone: an evolving fault system within a volcanic arc

Abstract

The El Salvador Fault Zone, firstly identified after the 13th February 2001 Mw 6.6 El Salvador earthquake, is a 150 km long, 20 km wide right-lateral strike-slip fault system. Ruptures along the ESFZ are thought to be responsible for most of the historical destructive earthquakes along the El Salvador Volcanic Arc, as well as for most of the current seismicity of the area. In this work, we focus on the geological setting of the fault zone by describing its geomorphology and structure, using field-based observations, digital terrain modelling, and aerial photograph interpretation with the aim at contributing to the understanding of the ESFZ slip behaviour. In particular, we address the ESFZ structure, kinematics and evolution with time. The ESFZ is a complex set of traces divided in major rupture segments characterized by different geometry, kinematics and geomorphic expressions. Natural fault exposures and paleoseismic trenches excavated along the fault show that the strike-slip deformation is distributed in several planes. Both geometry and kinematics of the fault zone are consistent with a transtensional strain regime. The estimated geological slip rate for the main fault segments by paleoseismic trenches and displaced geomorphic features implies a deficit in velocity of the fault compared to the available GPS velocities data. The high vertical scarps of some fault segments would require Quaternary slip rates not coherent neither with measured GPS velocities nor with slip rates obtained from paleoseismic analysis. This mismatch suggests a pre-existing graben structure that would be inherited from the previous regional roll back related extensional stage. We consider that the ESFZ is using this relict structure to grow up along it. As a result, we ropose a model for ESFZ development consistent with all these observations.

La Zona de Falla de El Salvador (ZFES) es un sistema de falla de desgarre dextral de 150 km de longitud y 20 de anchura, que fue identificada por primera vez después del terremoto de Mw 6.6 de El Salvador de febrero de 2001. La mayoría de la sismicidad y de los terremotos históricos destructivos producidos en el arco volcánico salvadoreño han sido producidos por la ruptura de la ZFES. Este trabajo se centra en el marco geológico de la zona de falla describiendo su geomorfología y su estructura a través de observaciones de campo, del estudio de los modelos digitales del terreno y de la interpretación de las fotografías aéreas, con el objetivo de avanzar en el conocimiento del comportamiento de la ZFES. En concreto trataremos del estudio de la estructura, la cinemática y la evolución de la ZFES. La ZFES es un complejo sistema de fallas divididas en varios segmentos que se diferencian en la geometría, la cinemática y la expresión geomorfológica. En los afloramientos de la falla, así como en las trincheras paleosismicas excavadas se ha observado que la deformación de desgarre está distribuida en varios planos y tanto la geometría como la cinemática de la zona de falla indican que la ZFES está bajo un régimen de deformación transtensional. La tasa de deformación estimada para los principales segmentos a través del estudio paleosísmico y del análisis de indicadores geomorfológicos desplazados nos muestra un déficit de velocidad para la falla si lo comparamos con los datos obtenidos por GPS. Estos datos tampoco ayudan a explicar la existencia de grandes escarpes verticales que se observan en algunos segmentos de la falla, y que requerirían tasas de deformación muy elevadas. Esta discrepancia sugiere la existencia de una estructura de graben preexistente que puedo ser producida por el “roll-back” de la placa y que creó una fase extensional en el arco volcánico. En este trabajo consideramos que la ZFES está actualmente desarrollándose sobre la estructura extensional relicta y como resultado proponemos un modelo estructural consistente con estas observaciones.