GPS inferred velocity and strain rate fields in eastern Canada

La vallée du fleuve Saint-Laurent, dans l’est du Canada, est l’une des régions sismiques les plus actives dans l’est de l’Amérique du Nord et est caractérisée par de nombreux tremblements de terre intraplaques. Après la rotation rigide de la plaque tectonique, l’ajustement isostatique glaciaire est de loin la plus grande source de signal géophysique dans l’est du Canada. Les déformations et les vitesses de déformation de la croûte terrestre de cette région ont été étudiées en utilisant plus de 14 ans d’observations (9 ans en moyenne) de 112 stations GPS fonctionnant en continu. Le champ de vitesse a été obtenu à partir de séries temporelles de coordonnées GPS quotidiennes nettoyées en appliquant un modèle combiné utilisant une pondération par moindres carrés. Les vitesses ont été estimées avec des modèles de bruit qui incluent les corrélations temporelles des séries temporelles des coordonnées tridimensionnelles. Le champ de vitesse horizontale montre la rotation antihoraire de la plaque nord-américaine avec une vitesse moyenne de 16,8±0,7 mm/an dans un modèle sans rotation nette (no-net-rotation) par rapport à l’ITRF2008. Le champ de vitesse verticale confirme un soulèvement dû à l’ajustement isostatique glaciaire partout dans l’est du Canada avec un taux maximal de 13,7±1,2 mm/an et un affaissement vers le sud, principalement au nord des États-Unis, avec un taux typique de −1 à −2 mm/an et un taux minimum de −2,7±1,4 mm/an. Le comportement du bruit des séries temporelles des coordonnées GPS tridimensionnelles a été analysé en utilisant une analyse spectrale et la méthode du maximum de vraisemblance pour tester cinq modèles de bruit: loi de puissance; bruit blanc; bruit blanc et bruit de scintillation; bruit blanc et marche aléatoire; bruit blanc, bruit de scintillation et marche aléatoire. Les résultats montrent que la combinaison bruit blanc et bruit de scintillation est le meilleur modèle pour décrire la partie stochastique des séries temporelles. Les amplitudes de tous les modèles de bruit sont plus faibles dans la direction nord et plus grandes dans la direction verticale. Les amplitudes du bruit blanc sont à peu près égales à travers la zone d’étude et sont donc surpassées, dans toutes les directions, par le bruit de scintillation et de marche aléatoire. Le modèle de bruit de scintillation augmente l’incertitude des vitesses estimées par un facteur de 5 à 38 par rapport au modèle de bruit blanc. Les vitesses estimées de tous les modèles de bruit sont statistiquement cohérentes. Les paramètres estimés du pôle eulérien de rotation pour cette région sont légèrement, mais significativement, différents de la rotation globale de la plaque nord-américaine. Cette différence reflète potentiellement les contraintes locales dans cette région sismique et les contraintes causées par la différence des vitesses intraplaques entre les deux rives du fleuve Saint-Laurent. La déformation de la croûte terrestre de la région a été étudiée en utilisant la méthode de collocation par moindres carrés. Les vitesses horizontales interpolées montrent un mouvement cohérent spatialement: soit un mouvement radial vers l’extérieur pour les centres de soulèvement maximal au nord et un mouvement radial vers l’intérieur pour les centres d’affaissement maximal au sud, avec une vitesse typique de 1 à 1,6±0,4 mm/an. Cependant, ce modèle devient plus complexe près des marges des anciennes zones glaciaires. Basées selon leurs directions, les vitesses horizontales intraplaques peuvent être divisées en trois zones distinctes. Cela confirme les conclusions d’autres chercheurs sur l’existence de trois dômes de glace dans la région d’étude avant le dernier maximum glaciaire. Une corrélation spatiale est observée entre les zones de vitesses horizontales intraplaques de magnitude plus élevée et les zones sismiques le long du fleuve Saint-Laurent. Les vitesses verticales ont ensuite été interpolées pour modéliser la déformation verticale. Le modèle montre un taux de soulèvement maximal de 15,6 mm/an au sud-est de la baie d’Hudson et un taux d’affaissement typique de 1 à 2 mm/an au sud, principalement dans le nord des États-Unis. Le long du fleuve Saint-Laurent, les mouvements horizontaux et verticaux sont cohérents spatialement. Il y a un déplacement vers le sud-est d’une magnitude d’environ 1,3 mm/an et un soulèvement moyen de 3,1 mm/an par rapport à la plaque l’Amérique du Nord. Le taux de déformation verticale est d’environ 2,4 fois plus grand que le taux de déformation horizontale intraplaque. Les résultats de l’analyse de déformation montrent l’état actuel de déformation dans l’est du Canada sous la forme d’une expansion dans la partie nord (la zone se soulève) et d’une compression dans la partie sud (la zone s’affaisse). Les taux de rotation sont en moyenne de 0,011°/Ma. Nous avons observé une compression NNO-SSE avec un taux de 3.6 à 8.1 nstrain/an dans la zone sismique du Bas-Saint-Laurent. Dans la zone sismique de Charlevoix, une expansion avec un taux de 3,0 à 7,1 nstrain/an est orientée ENE-OSO. Dans la zone sismique de l’Ouest du Québec, la déformation a un mécanisme de cisaillement avec un taux de compression de 1,0 à 5,1 nstrain/an et un taux d’expansion de 1.6 à 4.1 nstrain/an. Ces mesures sont conformes, au premier ordre, avec les modèles d’ajustement isostatique glaciaire et avec la contrainte de compression horizontale maximale du projet World Stress Map, obtenue à partir de la théorie des mécanismes focaux (focal mechanism method).

The Saint Lawrence River valley (SLRV) in eastern Canada is one of the most seismically active regions in eastern North America, which is characterized by many intraplate earthquakes. After its rigid plate rotation, the ongoing glacial isostatic adjustment (GIA) is by far the largest source of geophysical signal in eastern Canada. In this research, the current crustal deformation and strain rate field of this region was studied using more than 14 years (9 years on average) observations of 112 continuously operating GPS stations. The velocity field was obtained from cleaned position time series of daily GPS solutions by applying a combined model using the weighted least-squares method. We estimated velocity uncertainties by assuming advanced noise models to include the temporal correlation of the position time series. The horizontal velocity field shows the counter-clockwise rotation of the North American plate in the no-net-rotation model with the average of 16.8±0.7 mm/yr constrained to ITRF 2008. The vertical velocity field confirms the GIA-induced uplift all over eastern Canada with the maximum rate of 13.7±1.2 mm/yr and subsidence to the south mainly over north of the United States with a typical rate of −1 to −2 mm/yr and the minimum value of −2.7±1.4 mm/yr. The noise behavior of the GPS position time series was explored by testing five different noise models of power-law, white, white plus flicker, white plus random-walk, and white plus flicker plus random-walk, using the spectral analysis and the maximum likelihood methods. The results show that combination of white plus flicker noise is the best model for describing the stochastic part of the position time series. Furthermore, amplitudes of all noise models are smallest in the north direction and largest in the vertical direction. While amplitudes of the white noise model are almost equal across the study area, they are prevailed by the flicker and the random-walk noise for all directions. Assuming flicker noise model increases uncertainties of the estimated velocities by a factor of 5–38 compared to the white noise model, while the estimated velocities from all noise models are statistically consistent. The estimated Euler pole parameters for this region are slightly but significantly different from the overall rotation of the North American plate. This difference potentially reflects local stress in this seismic region, and the difference in intraplate velocities between the two sides of the SLRV accumulates stress in the faults located along the river. The surface deformation of the region was studied using least-squares collocation. Interpolated intraplate horizontal velocities show a spatially coherent radially outward motion from the centers of maximum uplift to the north and inward motion to the centers of maximum subsidence to the south with a typical velocity of ~1–1.6±0.4 mm/yr. This pattern, however, becomes more complex near the margins of the formerly glaciated areas. Based on their directions, the intraplate horizontal velocities can be divided in three distinct zones. This confirms the existence of three ice domes in the study region before the last glacial maximum. A spatial correlation is observed between areas with higher magnitude of the intraplate horizontal velocity and the seismic zones along the SLRV. The vertical velocities were interpolated to model the ongoing vertical deformation. The model shows maximum uplift rate of 15.6 mm/yr to southeastern of Hudson Bay and a typical subsidence rate of 1–2 mm/yr to the south mainly across the north of the United States. Along the SLRV, horizontal and vertical motions are spatially coherent toward southeast with the typical magnitude of ~1.3 mm/yr relative to North American plate and the average uplift rate of 3.1 mm/yr, respectively. In general, the rate of vertical deformation is typically ~2.4 times larger than the rate of the intraplate horizontal motion in this area. Results of strain analysis show the present-day straining of eastern Canada in the form of extension to the north (the area under uplift) and shortening to the south (the area under subsidence). On average, rotational rates are at the level of 0.011°/Myr. A NNW-SSE shortening with a typical rate of ~3.6–8.1 nstrain/yr is observed over the Lower Saint Lawrence seismic zone. In the Charlevoix seismic zone, an extension with a typical rate of ~3.0–7.1 nstrain/yr is oriented about ENE-WSW. In the western Quebec seismic zone, the deformation has a shear straining mechanism with a typical shortening rate of ~1.0–5.1 nstrain/yr and extension rate of ~1.6–4.1 nstrain/yr. These results are consistent, to the first order, with GIA models and with the maximum horizontal compressional stress of the World Stress Map resulted from focal mechanism method.