Analysis of earthquake sequences and activity rates: implications for seismic hazard

Yazdi, Pouye (2019). Analysis of earthquake sequences and activity rates: implications for seismic hazard. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. en Topografía, Geodesia y Cartografía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.58691.

Description

Title: Analysis of earthquake sequences and activity rates: implications for seismic hazard
Author/s:
  • Yazdi, Pouye
Contributor/s:
  • Gaspar Escribano, Jorge
  • Santoyo García Galiano, Miguel Ángel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. en Topografía, Geodesia y Cartografía (UPM)
Department: Ingeniería Cartográfica y Topografía
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

[img]
Preview
PDF - Requires a PDF viewer, such as GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
Download (21MB) | Preview

Abstract

Earthquakes are natural phenomena that release enormous amounts of energy travelling in all directions and cause ground shaking when they reach to the Earth’s surface. To mitigate their adverse effects on human lives and the environment, geophysicists investigate their causes. This involves studying earthquakes, not as isolated phenomena, but in relation and interaction with a series of earthquakes that share same time and/or space windows, and display common or similar features. This dissertation deals with the study of such series or earthquake sequences. I consider two different methodologies: statistical seismology, and physics-based methods. The statistical approach considers earthquakes as objects with determined attributes: origin time, hypocentral coordinates and magnitude, which are available in earthquake catalogs. These attributes are treated as random values that have some probability distributions. Thus, the quality of earthquake catalogs directly affects the performance and validity of statistical models, which describe the probability distribution of the earthquake attributes. Here, I apply several statistical models in finite spatiotemporal windows and examine their application in individual or combined manners. For instance, the earthquake magnitude-frequency relation is modelled using the Gutenberg-Richter law, and for the analysing the temporal variation of earthquake occurrence, the Omori-Utsu and epidemic type aftershock sequence (ETAS) models are applied. The ETAS model is a point process in which each earthquake represents a point with the mentioned attributes. This model assumes that all the earthquakes can potentially trigger aftershocks, and display a branching process. Applying the ETAS model provides separate estimates of background and aftershock rates, which are associated with two distinct source-types, respectively: (1) aseismic sources such as tectonic loading, rapid fluid or magma intrusions and transient slow-slip events, and (2) seismic source (i.e., earthquake-earthquake elastic triggering) which controls the branching ratio. The respective contributions of seismic and aseismic sources, and their spatiotemporal variations are strongly determinative in our understanding about the nature of earthquake sequences. Overall, the result from statistical modelling indicates the nature of the branching processes via quantitative parameters. Additionally, these parameters characterize changes in earthquake rates (in time domain) and earthquake densities (in space domain), which together constitute an important component of a probabilistic seismic hazard assessment (PSHA). The physics-based approach in turn requires information about other seismological attributes such as seismic phases, and also geophysical parameters such as the slip distribution over the ruptured areas, regional stresses, etc. The applied model in this dissertation computes the changes in Coulomb static stress (_CFS) to analyse the interaction between earthquakes, or between earthquakes and the potential rupture planes in the Earth’s crust. To analyse the aftershock triggering, I study static stress changes due to (1) earthquakes with a constrained slip distribution on a fault plane, and (2) slip processes over an extended area of a subduction interface. This approach involves modelling the mentioned slips and also improving the earthquake hypocentral location in order to obtain reliable results. The mentioned approaches, are implemented solely or together in the study of four earthquake sequences with different nature and in different locations of the world: (I) A swarm sequence of low magnitude earthquakes in southern Spain is modelled using the statistical approach, and during different periods. I characterize this swarm with a predominant and continuous aseismic forcing starting at the pre-activity period, that it accelerates during the main-activity period. I propose the presence of an additional aseismic source in the area, that induce the swarm activity together with the tectonic loading and seismic triggering. (II) A mainshock-aftershock sequence that starts with a large earthquake doublet in northwestern Iran is studied via both statistical and _CFS modellings. We found less energetic events associated to the aseismic forcing. The coseismic _CFS triggering of the doublet agrees with the hypocentral location of deeper aftershocks. (III) The possibility that a shallow crustal mainshock-aftershock sequence in southern Mexico is triggered by the aseismic subduction processes (tectonic loading and slow-slip event) is studied through _CFS modelling. The result shows that the triggering impact of the tectonic forcing before the slow-slip events is not evident but cannot be ruled out. On the contrary, the early phase of the slow-slip event presents a clear favouring influence, though small on triggering this sequence. (IV) A thrust earthquake in southern Mexico is studied using both statistical and _CFS modellings. The spatiotemporal variation of earthquake rate in the subduction interface, prior to and after this earthquake is modelled and incorporated into PSHA. A small rise in the annual exceedance rate of the strong ground motion highlights the importance of updating earthquake rates for seismic hazard assessments. The studies that I carry out along this thesis, provide a more insightful description of some specific earthquake sequences and the aspects of their origin. However, the achieved conclusions are of use in the study of other earthquake sequences with similar seismotectonic conditions. It is also of great importance for the seismic hazard assessments, to include the parametrized spatiotemporal variation of the earthquake frequencies in the updating methods. ----------RESUMEN---------- Los terremotos son fenómenos naturales que liberan una gran cantidad de energía, la cual viaja en forma de ondas sísmicas que se propagan en todas las direcciones desde el interior de la Tierra. Cuando estas ondas alcanzan la superficie terrestre, se genera una sacudida sísmica del suelo cuyas consecuencias son a menudo perjudiciales para el ser humano, el medio ambiente y el medio construido. Los geofísicos estudian las causas de los terremotos para conocer mejor cómo se producen y mitigar esos efectos adversos. Para ello, consideran que los terremotos no son eventos aislados, sino que se relacionan e interaccionan con una serie de terremotos con los que comparten la misma ventana espaciotemporal y presentan características comunes o similares. Esta tesis trata del estudio de series sísmicas. Considero dos metodologías diferentes: la sismología estadística y los métodos basados en procesos físicos. El enfoque estadístico considera que un terremoto es un objeto puntual, con atributos que aparecen en los catálogos sísmicos, tales como las coordenadas hipocentrales, el tiempo origen y la magnitud. Estos atributos se tratan como variables aleatorias que siguen distribuciones de probabilidad. Por tanto, la calidad y homogeneidad del catálogo sísmico disponible afecta directamente a la validez e idoneidad de los modelos estadísticos que describen las distribuciones de probabilidad de los atributos de los terremotos. En esta tesis utilizo varios modelos estadísticos en ventanas espaciotemporales finitas y los aplico de forma individual o combinada, según cada caso estudiado. Por ejemplo, para estudiar la frecuencia de terremotos de una magnitud dada se usa la ley de Gutenberg-Richter y para analizar la variación temporal de ocurrencia de terremotos se aplica el modelo de Omori-Utsu y el modelo de secuencia de terremotos de tipo epidémico (en inglés epidemic type aftershock sequence, ETAS). El modelo ETAS es un proceso puntual en el cada sismo representa un punto con los atributos mencionados. Este modelo asume que todos los eventos pueden disparar réplicas potencialmente, como en un proceso de ramificación (en inglés, branching process). La aplicación del modelo ETAS proporciona estimaciones separadas de las tasas de actividad sísmica de fondo y de réplicas, que se asocian a diferentes tipos de fuentes, que son, respectivamente: (1) fuentes asísmicas como la carga tectónica, intrusiones rápidas de magma o fluidos in eventos de deslizamiento lento transitorios; y (2) fuentes sísmicas, como el disparo elástico entre dos terremotos, lo cual controla la ratio de ramificación. Las respectivas contribuciones de fuentes sísmicas y asísmicas, así como sus variaciones espaciotemporales, son determinantes para nuestro conocimiento de la naturaleza de series sísmicas. En suma, el resultado de la modelización estadística indica la naturaleza de los procesos de ramificación mediante parámetros cuantitativos. Además, estos parámetros caracterizan los cambios de tasas sísmicas (en el dominio temporal) y de densidad de terremotos (en el domino espacial), que son dos ingredientes importantes de la evaluación de la peligrosidad sísmica probabilista (en inglés probabilistic seismic hazard assessment, PSHA). El enfoque basado en procesos físicos, en cambio, requiere disponer de información sobre otros atributos sismológicos como fases sísmicas de sismogramas (para el proceso de relocalización previo), la distribución de deslizamientos sobre el plano de ruptura, el patrón regional de esfuerzos, etc. En esta tesis aplico el modelo de transferencia de esfuerzos estáticos de Coulomb (del inglés, Coulomb failure stress _CFS) para analizar la interacción entre terremotos, o entre un terremoto y posibles planos de ruptura en la corteza terrestre. Con objeto de analizar el disparo de réplicas (en inglés, aftershock triggering), estudio los canmbios de esfuerzos estáticos debidos a (1) eventos con una distribución de deslizamiento en el plano de ruptura determinada; y (2) procesos de deslizamiento sobre áreas extensas del interfaz de subducción (en inglés, subduction interface). Este enfoque supone modelizar los deslizamientos mencionados y mejorar la localización hipocentral para llegar a obtener resultados fiables. Los métodos empleados se aplican de manera individual o conjunta en el estudio de cuatro secuencias sísmicas, de distinta naturaleza que tienen lugar en diferentes zonas del mundo: (I) una serie sísmica de tipo enjambre, formada por muchos sismos de baja magnitud, que ocurre en el sur de España. La serie se divide en tres partes y se estudia con métodos estadísticos. Caracterizo este enjambre principalmente como resultado de un agente generador asísmico continuado, que se acelera en la fase de mayor actividad de la serie. Propongo la presencia de una fuente adicional en la zona, además de la carga tectónica y de disparo entre terremotos, que induce la actividad de tipo enjambre. (II) una secuencia de sismo principal y réplicas que se inicia con un doblete de terremotos grandes en el noroeste de Irán. En este caso se usa, de forma combinada, el método estadístico y la modelización de cambio de esfuerzos. Encuentro que los eventos menos energéticos están asociados a un agente generador asísmico. La secuencia de réplicas disparada por el doblete está de acuerdo con la localización hipocentral de las réplicas más profundas. (III) una serie cortical de tipo sismo principal y réplicas que ocurre en el sur de México. En este caso se investiga la hipótesis de que la serie sea disparada por un proceso de subducción asísmico (carga tectónica y eventos de deslizamiento lentos, o en inglés slow-slip events, SSEs) se estudia mediante modelización de _CFS. Los resultados muestran que el impacto del disparo de la carga tectónica antes del evento de deslizamiento lento no es evidente, pero tampoco se puede descartar. Por contra, la fase inicial del evento de deslizamiento lento presenta una influencia favorable leve pero clara para el disparo de esta serie sísmica. (IV) otra serie asociada a un terremoto grande en la zona de subducción de México. En este caso se modelizan los esfuerzos de Coulomb para determinar el posible disparo de las dos réplicas principales, que al parecer rompen diferentes asperezas cercanas a la ruptura principal. Seguidamente se aplica el método estadístico para determinar la variación espaciotemporal de tasas sísmicas en la zona la interfaz de la subducción antes y después de la ocurrencia de la serie sísmica. Los correspondientes mapas de tasas sísmicas se usan en sendos cálculo probabilistas de peligrosidad sísmica para calcular las tasas de excedencia de determinados niveles de movimiento fuerte, observándose un pequeño aumento de la aceleración esperada con las tasas actualizadas después de la serie. Los estudios desarrollados en esta tesis proporcionan una descripción más esclarecedora de determinados aspectos específicos de las series analizadas. Sin embargo, los procedimientos y conclusiones alcanzados se pueden utilizar en el estudio de otras series sísmicas en todo el mundo. Asimismo, se apunta el interés de incorporar las variaciones espaciotemporales de parámetros de sismicidad (tasas de actividad sísmica) para los métodos de estimación de peligrosidad que incorporan actualizaciones temporales de dichos parámetros.

More information

Item ID: 58691
DC Identifier: http://oa.upm.es/58691/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:58691
DOI: 10.20868/UPM.thesis.58691
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 02 Mar 2020 07:16
Last Modified: 03 Sep 2020 22:30
  • Logo InvestigaM (UPM)
  • Logo GEOUP4
  • Logo Open Access
  • Open Access
  • Logo Sherpa/Romeo
    Check whether the anglo-saxon journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo Dulcinea
    Check whether the spanish journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo de Recolecta
  • Logo del Observatorio I+D+i UPM
  • Logo de OpenCourseWare UPM