Time-independent and time-dependent seismicity of intermediate and deep focus earthquakes

Abstract

Various theoretical mechanisms have been proposed to explain the occurrence of intermediate depth (ID) and deep focus (DF) earthquakes, through extensive studies of such events occurring on Earth at depths of 60 to 700-730 km. Quantitatively, deep (ID-DF) earthquakes represent almost the 1/4 of global seismicity, by exclusively taking place along the convergence limits of lithospheric plates and with their foci delimiting the well-known and seismically active Wadati-Benioff zones.Of particular interest, however, is to investigate the “time” parameter and the different ways this factor could affect the occurrence of strong, deep, earthquakes. It has been shown that before moderate to strong, shallow mainshocks, accelerating occurrence of intermediate magnitude earthquakes could be observed within a broader - critical region - of the upcoming earthquake. At the same time, within the focal region and at shorter distances from the fault (i.e., within the well-known seismogenic region), decelerating seismicity is observed as well.By combining the above observations, as these are described by the Decelerating-Accelerating Strain, D-AS model (Papazachos et al., 2006), intermediate-term prediction of strong upcoming, shallow mainshocks, could be achieved. In the present dissertation and for the very first time, application of the above model for intermediate depth (ID) and deep focus (DF) earthquakes is attempted, following similar worldwide implementations of the latter methodology in various seismotectonic environments.For this purpose, parameters of deep events that have occurred during last 50 years and are published in the bulletins of international (ISC, NEIC and IDC) and regional seismological centers (MOS from Moscow, BJI from Beijing, JMA from Japan), are used. By applying appropriate, reliable, magnitude conversion relations, as those defined in the framework of the current dissertation (Tsampas et al., 2016a), in accordance to General Orthogonal Regression (GOR) method, a complete and homogeneous catalog of globally occurred ID-DF earthquakes, covering the period 1962-2019, was obtained (Tsampas et al., 2016b). As reference magnitude scale in our homogenization procedure, the seismic moment magnitude (Mw) is adopted as this results either from direct estimations or indirectly by converting body wave (mb) and surface wave (Ms) magnitudes. In addition, the final focal depth value of each event of the catalog resulted from a simple optimization procedure followed by considering and utilizing all available sources reporting it. Hence, the current compiled global catalog is a key tool, both for studying the spatio-temporal changes of global ID-DF seismicity and for examining intermediate-term predictability of ID-DF earthquakes, which is the main subject and the ultimate goal of present thesis. Next, the time-independent seismicity is studied, by investigating the spatio-temporal variations of the completeness magnitude (Mc) and b-value parameter throughout our obtained dataset. The respective analysis was chosen to be conducted in detail at regional scale, by primarily focusing on 4 main, well-known, subduction zones, those of: i) South America, ii) Vanuatu Islands (New Hebrides), iii) Japan (Honshu) and, iv) Tonga-Kermadec Islands. Important part of the applied spatio-temporal analysis carried out for all 4 individual geographical regions, is the emergence of aftershock sequences following respective strong ID and DF mainshocks. These 4 aforementioned study-regions were selected mainly due to the availability of a reasonable number of earthquakes members (aftershocks) of the detected seismic sequences, as the number of aftershocks for ID and DF mainshocks is known to be much lower than that of the respective shallow ones. In the framework of the study of the 30 selected aftershock sequences in these 4 wide areas, the well-known laws of seismology applied to shallow aftershock sequences (i.e., those of Omori, Gutenberg-Richter and Båth) are examined in order to test their applicability in aftershock sequences of ID-DF mainshocks. In this context, the values of the parameters p- and b- are estimated, while comparisons of their values are attempted for the whole of the examined sequences.Finally, the time-dependent seismicity is studied, by applying the Decelerating-Accelerating Seismic Strain, D-AS, model for recent major ID-DF events within regions of Japan and South America. The results were overall satisfactory, showing that within both above regions the implementation of this model led to posteriori predictions the errors of which were within those predicted by the model. However, due to lack of complete data on moderate magnitude earthquakes dating back at least two to three decades before strong target earthquakes, it was not made possible to further achieve an a posteriori application of this specific model for additional ID-DF events, existing in other subduction zones (e.g., Tonga or Vanuatu Islands).In total, out of the 12 cases of strong mainshocks examined (7 in South America and 5 in Japan), the errors for the predicted parameters were: Dt = 13.9 years in the occurrence time, DM = 0.2 in the expected magnitude and DΕ = 94 km in the predicted epicenter, which are acceptable and within the window of uncertainties of the applied model.

Τα αίτια και οι μηχανισμοί που διέπουν την εκδήλωση σεισμών ενδιαμέσου και μεγάλου βάθους με χαρακτηριστικά εστιακά βάθη που κυμαίνονται μεταξύ 60 και 700-730 χλμ. έχουν εκτενώς μελετηθεί, διεθνώς. Ποσοτικά οι σεισμοί αυτοί αποτελούν σχεδόν το 1/4 της παγκόσμιας σεισμικότητας καθώς πραγματοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά κατά μήκος των ορίων σύγκλισης των λιθοσφαιρικών πλακών, με τις εστίες τους να οριοθετούν τις γνωστές, σεισμικά ενεργές, ζώνες Wadati-Benioff. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον όμως, παρουσιάζει η διερεύνηση των τρόπων με τους οποίους η παράμετρος «χρόνος», επηρεάζει την εκδήλωση ισχυρών σεισμών αυτής της κατηγορίας. Έχει αποδειχθεί ότι πριν την εκδήλωση ισχυρών επιφανειακών σεισμών, παρατηρείται επιταχυνόμενη εκδήλωση ενδιαμέσου μεγέθους σεισμών σε μια ευρεία, κρίσιμη περιοχή, γύρω από το επίκεντρο του επερχόμενου κύριου σεισμού. Ταυτόχρονα, στον ευρύτερο σεισμογόνο χώρο και σε κοντινές αποστάσεις από το σεισμογόνο ρήγμα, έχει παρατηρηθεί αντίστοιχη επιβραδυνόμενη σεισμικότητα. Ο συνδυασμός των παραπάνω δύο παρατηρήσεων (όπως περιγράφεται από το Μοντέλο της Επιταχυνόμενης - Επιβραδυνόμενης Σεισμικής Παραμόρφωσης, D-AS, των Papazachos et al., 2006) μπορεί να οδηγήσει σε μεσοπρόθεσμη πρόγνωση επερχόμενων ισχυρών κύριων σεισμών. Έτσι, στην παρούσα διατριβή πραγματοποιείται για πρώτη φορά έλεγχος εφαρμογής του παραπάνω μοντέλου σε σεισμούς ενδιαμέσου και μεγάλου βάθους, που έχουν ήδη εκδηλωθεί σε διάφορα σεισμοτεκτονικά περιβάλλοντα, παγκοσμίως. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται παράμετροι ενδιάμεσου-μεγάλου βάθους σεισμών που εκδηλώθηκαν τα τελευταία 50 χρόνια και δημοσιεύονται στα δελτία διεθνών (ISC, NEIC και IDC) και μεγάλων εθνικών (MOS από Μόσχα, BJI από Πεκίνο, JMA από Ιαπωνία) σεισμολογικών δικτύων. Με την εφαρμογή κατάλληλων, αξιόπιστων σχέσεων μετατροπής μεγεθών, όπως αυτές υπολογίζονται στο πλαίσιο της διατριβής (Tsampas et al., 2016a) σύμφωνα με τη μέθοδο της Γενικής Ορθογώνιας Παλινδρόμησης (GOR), προέκυψε ένας πλήρης και ομογενής ως προς το μέγεθος κατάλογος σεισμών ενδιάμεσου-μεγάλου βάθους που καλύπτει το διάστημα 1962-2019 (Tsampas et al., 2016b). Ως ενιαίο μέγεθος αναφοράς υιοθετείται αυτό της σεισμικής ροπής (Mw), υπολογιζόμενο, είτε άμεσα, είτε έμμεσα, από μετατροπές του χωρικού (mb) και του επιφανειακού (Ms) μεγέθους. Επιπλέον, και σε ότι αφορά τη τελική τιμή εστιακού βάθους του κάθε σεισμού που περιλαμβάνει ο κατάλογος, αυτή προέκυψε από συνεκτίμηση των τιμών εστιακών βαθών, με αξιοποίηση των διαθέσιμων πηγών της συγκεκριμένης παραμέτρου. Ο παγκόσμιος αυτός κατάλογος αποτελεί βασικό εργαλείο, τόσο για τη μελέτη των χώρο-χρονικών μεταβολών της παγκόσμιας ενδιαμέσου-μεγάλου βάθους σεισμικότητας, όσο και για εξέταση της δυνατότητας μεσοπρόθεσμης πρόγνωσης σεισμών ενδιαμέσου και μεγάλου βάθους, που είναι αντικείμενο αλλά και τελικός στόχος της παρούσας διατριβής. Στη συνέχεια, στο πλαίσιο μελέτης της χρονικά ανεξάρτητης σεισμικότητας (time-independent seismicity), πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της χώρο-χρονικής μεταβολής των παραμέτρων του μεγέθους πληρότητας (Mc) και b- για τους σεισμούς του καταλόγου. Η μελέτη έγινε σε τοπική κλίμακα, με το ενδιαφέρον να εστιάζεται κατά προτεραιότητα σε 4 ζώνες καταβύθισης, αυτές των: i) Ν. Αμερικής, ii) Νήσων Βανουάτου (Νέες Εβρίδες), iii) Ιαπωνίας (Χονσού) και, iv) Νήσων Τόνγκα-Κερμάντεκ. Τμήμα των χώρο-χρονικών αναλύσεων για τις παραπάνω επιμέρους γεωγραφικές περιοχές, αποτελεί και η ανάδειξη μετασεισμικών ακολουθιών ενδιαμέσου και μεγάλου βάθους ισχυρών σεισμών. Έτσι οι 4 αναφερόμενες περιοχές μελέτης επιλέχθηκαν κυρίως λόγω του επαρκούς αριθμού διαθέσιμων παρατηρήσεων κατά τη διάρκεια των μετασεισμικών τους ακολουθιών, αφού η συχνότητα των μετασεισμών στους σεισμούς ενδιαμέσου και μεγάλου βάθους είναι κατά μια τάξη μεγέθους μικρότερη σε σύγκριση με αυτήν των αντίστοιχων επιφανειακών. Για το σύνολο των 30 μετασεισμικών ακολουθιών ενδιαμέσου-μεγάλου βάθους που εντοπίστηκαν στις παραπάνω περιοχές, γνωστοί νόμοι που ισχύουν για τους επιφανειακούς σεισμούς (οι νόμοι των Omori, Gutenberg-Richter, Båth), εξετάζονται ως προς την ισχύ και την εφαρμοσιμότητά τους και πραγματοποιείται υπολογισμός των παραμέτρων p- και b- για το σύνολο των εξεταζόμενων ακολουθιών. Τέλος, σε ότι αφορά τη μελέτη της χρονικά εξαρτημένης σεισμικότητας, με την εφαρμογή του Μοντέλου Επιταχυνόμενης-Επιβραδυνόμενης Σεισμικής Παραμόρφωσης (D-AS) σε ενδιαμέσου-μεγάλου βάθους κύριους σεισμούς των περιοχών της Ιαπωνίας και της Ν. Αμερικής, όπου υπήρχαν δεδομένα για αξιόπιστη εφαρμογή του μοντέλου, προέκυψαν σημαντικά, ικανοποιητικά αποτελέσματα. Εξαιτίας της έλλειψης πλήρων δεδομένων σε σεισμούς μέτριου μεγέθους που χρονολογούνται κατ’ ελάχιστο δύο-τρεις δεκαετίες πριν από ισχυρούς σεισμούς-στόχους, δε κατέστη δυνατή η εκ των υστέρων (a posteriori) εφαρμογή του μοντέλου D-AS και για περισσότερους ενδιαμέσου-μεγάλου βάθους ισχυρούς κύριους σεισμούς, από άλλες ζώνες καταβύθισης (όπως π.χ. είναι οι περιοχές των νήσων Τόνγκα και Βανουάτου). Συνολικά, από τις 12 περιπτώσεις ισχυρών σεισμών που μελετήθηκαν (εκ των οποίων 7 εντοπίζονται στη Ν. Αμερική και 5 στην Ιαπωνία), τα σφάλματα που προέκυψαν στις προβλεπόμενες παραμέτρους: α) του χρόνου γένεσης, (Dt), β) του αναμενόμενου μεγέθους, (DΜ), και γ) της απόστασης από το επίκεντρο, (DΕ), υπολογίστηκαν να είναι της τάξης των α) 1.9 ετών, β) 0.2 και γ) 94 χλμ., τα οποία και βρίσκονται εντός του παραθύρου των αντίστοιχων αβεβαιοτήτων που προβλέπονται από το μοντέλο που εφαρμόστηκε.