A composite model of shear-wave splitting and occurrence rate towards earthquake forecasting

Abstract

Since the antiquity, earthquakes played an important role in the development of society, destroying civilizations and opening the way for the development of news. Humanity tried to understand and explain this phenomenon by attributing the powerful shaking to divine intervention. Ever since, the feat of earthquake prediction has eluded human knowledge. Today, although we know that no chthonic entities shake the ground so violently, it still escapes us. Considered the holy grail of seismology, many theories and experiments have been developed towards estimating the occurrence of the next catastrophic seismic event. In 1998, a M 5.0 earthquake was successfully forecasted in real-time, by stress precursors studied through shear-wave splitting. As a shear-wave enters an anisotropic medium, it splits in two, travelling with different velocities and having perpendicular polarizations. The faster one is aligned to the main anisotropic feature, and the slow arrives at the station with a time-delay accumulated along the path. One such feature is the existence of fluid-filled microcracks in the upper crust, which are aligned according to the maximum compressive horizontal stress component, according to the Anisotropic Poro-Elasticiy (APE) model. The “stress-forecast” of 1998 was achieved by considering the implications of APE. However, other factors have been shown to affect splitting, such as faults, leading to structurally-controlled anisotropy. Another approach to estimating the occurrence of an impending event is earthquake forecasting, which utilizes empirically optimized statistical models to determine the occurrence rate for different threshold magnitudes. Earthquake forecasting has shown promise and has applications in different timescales. In the current thesis, I investigate the possibility of developing a composite model that uses estimates from shear-wave splitting constrained by statistical modelling – or vice versa. To this end, the Pytheas software was updated and upgraded to facilitate the faster and more effective processing of waveform data using modern concepts, such as the direct acquisition of data from available FDSN webservices (e.g. EIDA nodes) and the integration of parallel processing. In the context of the thesis, a new workflow was developed to homogenize and systematize the analysis of data from various datasets. Shear-wave splitting was determined automatically with the eigenvalues method and cluster analysis. A large volume of seismic recordings from earthquake sequences in Greece was analyzed. Specifically, data were analyzed from Thiva Basin (2020), Samos Island (2020), Styra in Euboea (2022-2023), the Western (2020-2021) and Eastern (2020) Gulf of Corinth. Analysis led to the determination of 18,400 splitting results, out of which 8,031 were considered of adequate quality, after grading with an automatic algorithm. Quality assurance was conducted manually on a sample of results. Out of the 20 temporal variations of normalized time-delays extracted after visual inspection of temporal plots, 10 presented satisfying correlation and statistical significance. No strong association was observed between variations and the occurrence of strong earthquakes. However, variations linked to changes in seismicity were identified, especially in the cases of Styra and the Eastern Gulf of Corinth. Moreover, I investigated the application of an Epidemic-Type Aftershock Sequence (ETAS) model, to produce daily forecasts. The modified ETAS algorithm (integrating Bayesian statistics and Markov Chain Monte Carlo sampling) was applied in the Western Gulf of Corinth, for a catalogue comprising of events related to the December 2020 to February 2021 activity. Two sub-sequences were utilized. The first included swarm-like characteristics, while the second followed a more traditional aftershock sequence. The forecasts were produced for four 24-hour periods, following the initial training 24-hour-long interval right after the initiation of each sub-sequence. Four magnitude thresholds were considered (equal to the magnitude of completeness, 2.5, 3.0 and 4.0). A good agreement was observed between estimates and the second sub-sequence, while, probably due to the swarm-like features, the first one deviated. Unfortunately, it was not possible to extract coherent temporal patterns of shear-wave splitting and, subsequently, model their response to impending events. The results showed that the source of splitting is not easily understood, with varying influences of fluid processes, regional stress and local structures. Nevertheless, there is promise for associating variations of splitting to the development of earthquake sequences. On the other hand, short-term forecasts with the ETAS model were satisfying, even though its application was hindered by the effect of swarm-like activity. Currently, a composite model of shear-wave splitting and earthquake occurrence is not possible. Advances in large data processing and our theoretical understanding of splitting are the key for investigating this prospect.

Από την αρχαιότητα, η σεισμική δραστηριότητα είχε σημαντικό αντίκτυπο στην εξέλιξη της ανθρώπινης κοινωνίας, οδηγώντας στην καταστροφή πολιτισμών και δίνοντας την ευκαιρία στην ανάδειξη νέων. Η ανθρωπότητα προσπάθησε να καταλάβει και να ερμηνεύσει το φαινόμενο, αποδίδοντας τις ισχυρές δονήσεις σε θεϊκές παρεμβάσεις. Έκτοτε, το επίτευγμα της πρόγνωσης σεισμών έχει διαφύγει της ανθρώπινης γνώσης. Σήμερα, αν και γνωρίζουμε ότι δεν υφίστανται χθόνιες οντότητες που δονούν βίαια το έδαφος, δεν έχουμε καταφέρει να ερμηνεύσουμε πλήρως τη σεισμική δραστηριότητα. Η πρόγνωση θεωρείται το ιερό δισκοπότηρο της σεισμολογίας, με την ανάπτυξη πληθώρας θεωριών και πειραμάτων ως προς τη δυνατότητα εκτίμησης της εκδήλωσης ενός νέου καταστροφικού σεισμού.Το 1998, σεισμός μεγέθους 5.0 προγνώστηκε επιτυχώς σε πραγματικό χρόνο, μετά από μελέτη πρόδρομων μεταβολών της τάσης μέσω της σχάσης εγκαρσίων κυμάτων. Καθώς το εγκάρσιο κύμα εισέρχεται σε ένα ανισοτροπικό μέσο, διαχωρίζεται και διαδίδεται με διαφορετικές ταχύτητες. Οι δύο συνιστώσες έχουν κάθετες μεταξύ τους πολώσεις και διαφορετικές ταχύτητες. Η πόλωση του ταχύτερου κύματος προσανατολίζεται σύμφωνα με το κύριο ανισοτροπικό χαρακτηριστικό και το βραδύτερο φθάνει στον σταθμό με χρονική καθυστέρηση η οποία θεωρείται ότι συσσωρεύεται κατά μήκος της διαδρομής. Ένα τέτοιο ανισοτροπικό χαρακτηριστικό είναι η ύπαρξη προσανατολισμένων μικρορωγμών πληρωμένων με ρευστό στον ανώτερο φλοιό, οι οποίες τάσσονται σύμφωνα με τη μέγιστη οριζόντια συμπιεστική συνιστώσα τάσης, όπως περιγράφεται από το μοντέλο Ανισοτροπικής Πορο-Ελαστικότητας (ΑΠΕ). Η «πρόγνωση μέσω τάσεων» του 1998 επιτεύχθηκε λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά του μοντέλου αυτού. Ωστόσο, έχουν αναφερθεί και άλλοι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τη σχάση, όπως η επίδραση των ρηγμάτων η οποία οδηγεί σε δομικά ελεγχόμενη ανισοτροπία. Μία ακόμη προσέγγιση για την εκτίμηση της εκδήλωσης ενός επερχόμενου σεισμού είναι η στατιστική πρόβλεψη σεισμών, η οποία χρησιμοποιεί εμπειρικώς βελτιστοποιημένα στατιστικά μοντέλα ώστε να προσδιορίσει τον ρυθμό εκδήλωσης για διαφορετικά κατώφλια μεγεθών. Η στατιστική πρόβλεψη σεισμών είναι υποσχόμενη και έχει εφαρμογές σε διαφορετικούς χρονικούς ορίζοντες (βραχυπρόθεσμα, μεσοπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα). Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκε η πιθανότητα ανάπτυξης ενός σύνθετου μοντέλου το οποίο ενσωματώνει εκτιμήσεις από τη σχάση εγκαρσίων κυμάτων με περιορισμούς οι οποίοι θέτονται από τη στατιστική μοντελοποίηση – ή αντίστροφα. Για τον σκοπό αυτόν, βελτιώθηκε και επικαιροποιήθηκε το λογισμικό Pytheas, ώστε να καταστεί ταχύτερη και αποδοτικότερη η ανάλυση μεγάλου αριθμού δεδομένων κυματομορφών με τη χρήση σύγχρονων προσεγγίσεων, όπως η απευθείας λήψη δεδομένων από διαθέσιμες υπηρεσίες FDSN (π.χ. κόμβοι EIDA) και η παράλληλη επεξεργασία σε πολλαπλούς πυρήνες. Στο πλαίσιο της διατριβής, αναπτύχθηκε ροή εργασιών με σκοπό την ομογενή και συστηματική επεξεργασία των δεδομένων. Στην ροή, εκτός της επιλογής και επεξεργασίας κυματομορφών, περιλαμβάνεται και η συστηματοποίηση της διερεύνησης των ζητούμενων χρονικών μεταβολών. Η σχάση των εγκαρσίων κυμάτων προσδιορίσθηκε αυτόματα με τη χρήση της μεθόδου ιδιοτιμών και την αυτοματοποίηση αυτής μέσω ανάλυσης συστάδων. Αναλύθηκε μεγάλος όγκος τοπικών καταγραφών σεισμών από σεισμικές ακολουθίες στην Ελλάδα. Συγκεκριμένα, αναλύθηκαν δεδομένα από την περιοχή της Θήβας Βοιωτίας (ακολουθία 2020), της Σάμου (ακολουθία 2020), των Στυρών Ευβοίας (ακολουθία 2022-2023), του Δυτικού (2020-2021) και Ανατολικού (2020) Κορινθιακού Κόλπου. Η ανάλυση οδήγησε στον συνολικό προσδιορισμό 18,400 αποτελεσμάτων σχάσης, εκ των οποίων τα 8,031 έγιναν αποδεκτά, κατόπιν εφαρμογής αυτόματου αλγορίθμου βαθμολόγησης και δειγματοληπτικής διασφάλισης ποιότητας. Εκ των 20 χρονικών μεταβολών της κανονικοποιημένης χρονικής καθυστέρησης που εξάχθηκαν μετά από οπτική εκτίμηση των αποτελεσμάτων, οι 10 παρουσίασαν ικανοποιητικό συντελεστή συσχέτισης και στατιστική σημασία. Δεν παρατηρήθηκε συσχέτιση αυτών με την εκδήλωση ισχυρών σεισμών. Ωστόσο, παρατηρήθηκαν μεταβολές οι οποίες μπορούν να συνδεθούν με αλλαγές στη σεισμικότητα, ιδιαιτέρως στις περιπτώσεις των Στύρων και του Ανατολικού Κορινθιακού Κόλπου.Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η εφαρμογή ενός στατιστικού μοντέλου Επιδημικού Τύπου Μετασεισμικής Ακολουθίας (Epidemic-Type Aftershock Sequence; ETAS) για την παραγωγή ημερήσιων προβλέψεων εξέλιξης της σεισμικότητας. Ο τροποποιημένος αλγόριθμος ETAS (με την ενσωμάτωση Μπεϋζιανής στατιστικής και Μαρκοβιανών Αλυσίδων Μόντε Κάρλο) εφαρμόσθηκε στην περιοχή του Δυτικού Κορινθιακού Κόλπου, σε δύο υπο-ακολουθίες της δραστηριότητας που εκδηλώθηκε μεταξύ Δεκεμβρίου 2020 και Φεβρουαρίου 2021. Η πρώτη παρουσίασε χαρακτηριστικά ακολουθίας και σμηνοσειράς, ενώ η δεύτερη μπορεί να χαρακτηρισθεί ως τυπική μετασεισμική ακολουθία. Παρήχθησαν προβλέψεις για τέσσερα 24ωρα μετά την έναρξη της εκάστοτε ακολουθίας, με το πρώτο 24ωρο να λαμβάνεται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων του μοντέλου, Οι προβλέψεις πραγματοποιήθηκαν για τέσσερα κατώφλια μεγέθους (μέγεθος πληρότητας, 2.5, 3.0 και 4.0). Παρατηρήθηκε καλή συμφωνία με την εξέλιξη της 2ης υπο-ακολουθίας, ενώ η 1η απέκλινε από τις εκτιμήσεις. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, δεν κατέστη δυνατή η εξαγωγή συνεκτικών χρονικών μεταβολών της σχάσης των εγκαρσίων κυμάτων και, συνεπώς, η μοντελοποίηση της απόκρισής της πριν από έναν επερχόμενο σεισμό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πηγή της σχάσης δεν είναι εύκολα κατανοητή, με ποικίλες επιδράσεις διεργασιών ρευστών, τοπικής τάσης και δομών. Ωστόσο, αναδείχθηκαν περιπτώσεις μεταβολών της σχάσης που σχετίζονται με την εξέλιξη της σεισμικότητας στο πλαίσιο ακολουθιών. Οι βραχυπρόθεσμες προβλέψεις με το μοντέλο ETAS ήταν ικανοποιητικές, αν και η εφαρμογή του κατέστη δύσκολη λόγω της επίδρασης δραστηριότητας τύπου σμηνοσειράς κατά την εξέλιξη της μετασεισμικής ακολουθίας. Σήμερα, ένα σύνθετο μοντέλο σχάσης εγκαρσίων κυμάτων και ρυθμού εκδήλωσης σεισμικότητας δεν είναι εφικτό. Η πρόοδος κλάδων που ασχολούνται με την επεξεργασία μεγάλων δεδομένων και τη μοντελοποίηση αυτών (όπως η μηχανική μάθηση), καθώς και η εξέλιξη της θεωρητικής κατανόησης του φαινομένου της σχάσης θα έχουν καταλυτικό ρόλο στη μελλοντική διερεύνηση της προοπτικής κατάρτισης ενός σύνθετου μοντέλου.