Χωρο-χρονική μεταβολή της σεισμικότητας στις μεσο-ωκεάνιες ράχες

Abstract

The aim of the present thesis was the study of the spatial and temporal variation of seismicity in divergent oceanic boundaries. In order to achieve this objective, bulletins of several seismological agencies (ISC, NEIC, GCMT), as well as several published earthquake catalogs (Pacheco and Sykes 1992, Engdahl and Villaseñor 2002) were considered for the period 1900-2014. The main goal was to create individual seismic catalogs for the six mid-ocean ridges under study: the mid-Atlantic ridge, the Pacific-Nazca ridge, the Pacific-Antarctic ridge, the Central Indian ridge and the ridges along the boundaries of SE & SW Indian plates with the Antarctic plate. A qualitative analysis of the compiled catalogs was performed by checking their focal depths, declustering them and defining completeness magnitudes with several methods. Three different complete periods were identified (before 1964, 1964-1995, 1996-2014) with relatively high completeness magnitudes especially for the period before 1964. This observation is justified by the typical geographical location of most mid-ocean ridges. In the context of studying the time-independent seismicity the parameters at, b of the G-R relation, the most probable maximum magnitude over one year (Μt) and the probabilities of exceedance of certain magnitudes thresholds within several time windows were calculated. Using an appropriate quantitative model, deformation rates (seismic/total strain rate ratios) expressed in terms of velocity tensors were estimated for a large number of indicative areas along several mid-ocean ridges, while a correlation of them with ages of lithospheric plates and heat flow values was attempted. The results indicate that as the distance from the ridges increases, increasing age and decreasing heat flow are observed, associated with an increase in seismicity, a decrease in b values, an increase in the maximum earthquake magnitude and an increase in deformation rates. Based on synthetic catalogs, seismicity parameters were recalculated applying several methodologies and their values were compared with the input ones. The discrepancy between the retrieved and the original b values that were used for the synthetic catalogue generation, led to the conclusion that there is a direct dependence of b values on some parameters, such as the magnitude range, ΔΜ, the number of earthquakes, N and the maximum magnitude, Mmax. In order to calculate some indispensable corrections to seismic parameters, polynomial functions of 2nd and 3rd degree were proposed. After applying these corrections to the original data, a corrected average value of parameter b~1.3 was derived. Then, the time-dependent seismicity of mid-ocean ridges, especially in seismic zones with strong earthquakes, was examined. Two models were tested: a) the Time and MAgnitude Predictable Regional (TIMAPR) model and, b) the Decelerating-Accelerating Seismicity (D-AS) model. The TIMAPR application in mid-ocean ridges was considered reliable with satisfactory results, while the retrospective prediction of strong mainshocks with the D-AS model led to acceptable estimation (prediction) of the origin time and magnitude of the target events, but with epicenter estimation exceeding the model’s typical errors.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της χωροχρονικής μεταβολής της σεισμικότητας σε περιβάλλοντα αποκλινόντων ορίων λιθοσφαιρικών πλακών. Για την υλοποίηση του παραπάνω στόχου συλλέχθηκαν δεδομένα για το χρονικό διάστημα 1900-2014, τα οποία προέρχονταν από πλήθος σεισμολογικών κέντρων (ISC, NEIC, GCMT) αλλά και από δημοσιευμένους καταλόγους σεισμών (Pacheco and Sykes 1992, Engdahl and Villaseñor 2002). Αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία επιμέρους καταλόγων για τις έξι μεσο-ωκεάνιες ράχες που μελετήθηκαν: τη ράχη του Ατλαντικού, τη ράχη Ειρηνικού-Nazca, τη ράχη Ειρηνικού-Ανταρκτικής, τη ράχη του Κεντρικού Ινδικού και τις ράχες του ΝΑ & ΝΔ Ινδικού στο όριο επαφής τους με την Ανταρκτική. Στο πλαίσιο του ποιοτικού ελέγχου των καταλόγων αυτών ελέγχθηκαν τα εστιακά βάθη των σεισμών, απομακρύνθηκαν οι προσεισμοί και μετασεισμοί με την διαδικασία της από-ομαδοποίησης, ενώ υπολογίστηκαν και τα μεγέθη πληρότητας με διάφορες μεθοδολογίες. Προέκυψαν τρία πλήρη χρονικά διαστήματα (πριν το 1964, 1964-1995, 1996-2014) με σχετικά μεγάλα μεγέθη πληρότητας, ιδιαίτερα πριν το 1964, κάτι που δικαιολογείται από την γεωγραφική θέση των μεσο-ωκεάνιων ράχεων. Κατά την μελέτη της χρονικά ανεξάρτητης σεισμικότητας μελετήθηκαν οι παράμετροι at, b, της σχέσης G-R, το πιθανότερο μέγιστο μέγεθος (Μt) για χρονικό διάστημα ενός έτους, αλλά και η πιθανότητα (Ρt) υπέρβασης διαφόρων τιμών μεγεθών για διάφορα χρονικά διαστήματα. Με την χρήση κατάλληλου μοντέλου εκτιμήθηκαν σε ενδεικτικές περιοχές των ράχεων οι ρυθμοί παραμόρφωσης (λόγοι σεισμικής παραμόρφωσης προς ολική παραμόρφωση), εκφρασμένοι με την μορφή ταχυτήτων, με ταυτόχρονη προσπάθεια συσχέτισής τους με τις τιμές των ηλικιών και τις ροές θερμότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όσο απομακρυνόμαστε από το ίχνος των ράχεων, η αύξηση της ηλικίας και η μείωση της θερμικής ροής σχετίζονται με αύξηση της σεισμικότητας, μείωση των τιμών της παραμέτρου σεισμικότητας b, αύξηση του μεγέθους του μέγιστου σεισμού και αύξηση των λόγων παραμόρφωσης. Με τη χρήση συνθετικών καταλόγων επαναϋπολογίστηκαν οι παράμετροι σεισμικότητας με διάφορες μεθοδολογίες, και συγκρίθηκαν με τα αρχικά συνθετικά δεδομένα. Η απόκλιση μεταξύ των συνθετικών και πραγματικών (αρχικών) παραμέτρων σεισμικότητας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι υπάρχει άμεση εξάρτηση της τιμής της παραμέτρου b από συγκεκριμένες παραμέτρους, όπως το εύρος μεγεθών, ΔΜ, το πλήθος σεισμών, Ν και το μέγιστο μέγεθος, Mmax. Με σκοπό τον υπολογισμό διορθώσεων στις παραμέτρους σεισμικότητας, ορίστηκαν κατάλληλες πολυωνυμικές συναρτήσεις 2ου και 3ου βαθμού. Η εφαρμογή των διορθώσεων αυτών στα πραγματικά δεδομένα οδήγησε στην παρατήρηση ότι υπάρχει μια κοινή διορθωμένη μέση τιμή του b, της τάξης ~1.3. Στη συνέχεια διερευνήθηκε αν η γένεση των σεισμών στις μεσο-ωκεάνιες ράχες και ιδιαίτερα αυτών με σχετικά μεγάλα μεγέθη, μπορεί να περιγραφεί με μοντέλα χρονικά εξαρτώμενης σεισμικότητας. Χρησιμοποιήθηκαν δύο μοντέλα: α) το «περιοχικό μοντέλο πρόγνωσης χρόνου και μεγέθους» (TIMAPR) και β) το «μοντέλο επιβραδυνόμενης-επιταχυνόμενης σεισμικότητας» (D-AS). Η εφαρμογή του μοντέλου TIMAPR κρίθηκε αξιόπιστη σε σεισμούς μεσο-ωκένιων ράχεων με ικανοποιητικά αποτελέσματα ενώ η αναδρομική πρόγνωση σεισμών με το μοντέλο D-AS οδήγησε σε αποδεκτή εκτίμηση του χρόνου και του μεγέθους των σεισμών-στόχων με υπέρβαση όμως των σφαλμάτων που αφορούν την εκτίμηση του επικέντρου τους.