Study of the influence of time dependent stress changes on seismicity rates with contribution in probabilistic seismic hazard assessment in Greece

Abstract

Seismicity rate changes in selected regions of the broader Aegean area were studied by application of the Dieterich (1994) Rate/State formulation. The coseismic slip of the strongest events (Μw≥5.8) that occurred during selected ‛study‛ periods was considered to contribute to the stress field evolution along with the continuous tectonic loading. Stress changes were calculated just before and after each strong event and their influence was then examined in connection with the occurrence rate of the smaller magnitude events above the individually determined magnitude of completeness in each sub-area and for the respective time intervals, named as ‚study‛ or ‚forecasting‛ periods. After defining the probability density function (PDF) of seismicity distribution, a Rate/State model was used to combine static Coulomb stress changes (ΔCFF) with seismicity rates and to compare the observed with the expected rates of earthquake production for each time period and sub-area. Different parameter values combinations were tested in order to evaluate the model sensitivity. Qualitative and quantitative correlation between the observed and the expected seismicity rates provide a test for the validity and sufficiency of the model. Εarthquake probabilities for exceedance of magnitudes M=6.0 and M=6.5 during the next decade were finally illustrated. After deriving seismicity evolution from stress changes, the inverse method was attempted. Spatial and temporal evolution of the stress field in well monitored areas of Aegean were carried out. The highest accuracy and large sized regional catalogues were utilized in order to invert seismicity rate changes into stress variation through a Rate/State dependent friction model. After explicitly determining the physical quantities incorporating in the modeling (characteristic relaxation time, fault constitutive parameters, reference seismicity rates) stress changes in both space and time were derived and their possible connections with earthquake clustering and fault interactions were evaluated. The forward modeling approach resulted to satisfactory correlation between real and synthetic seismicity rates and is expected to constitute a useful mean for the time dependent seismic hazard assessment. The inverse method yielded promising results in the cases where the available data were sufficient and should provide a powerful tool for future research as the earthquake data becomes enriched and more precise.

Οι μεταβολές των ρυθμών σεισμικότητας σε επιλεγμένες περιοχές του ευρύτερου χώρου του Αιγαίου, μελετήθηκαν με την εφαρμογή ενός μοντέλου Ρυθμού/Κατάστασης (Dieterich, 1994). Οι μεταβολές του πεδίου των τάσεων συνυπολογίστηκαν από τις μεταβολές που οφείλονται στην σεισμική ολίσθηση που προκαλείται από τη γένεση κάθε ισχυρού σεισμού και από τις μακράς διάρκειας μεταβολές που οφείλονται στη συνεχή τεκτονική φόρτιση. Η επίδραση των μεταβολών των τάσεων στους ρυθμούς σεισμικότητας μελετήθηκαν πριν και μετά από κάθε ισχυρό σεισμό σε κάθε περιοχή. Σο μέγεθος πληρότητας των καταλόγων υπολογίστηκε ξεχωριστά για κάθε περιοχή και περίοδο μελέτης. Οι ρυθμοί σεισμικότητας των μικρότερου μεγέθους σεισμών εξομαλύνθηκαν με την εφαρμογή μιας συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας και η επίδραση των τάσεων στις μεταβολές των ρυθμών αυτών ενσωματώθηκε στο μοντέλο Ρυθμού/Κατάστασης προκειμένου να υπολογιστούν οι αναμενόμενοι ρυθμοί σεισμικότητας. Σημαντικό εύρος των τιμών των παραμέτρων χρησιμοποιήθηκαν ώστε να ελεγχθεί η ευαισθησία και η αποτελεσματικότητα του μοντέλου. Έγινε ποιοτική και ποσοτική εκτίμηση της συσχέτισης μεταξύ παρατηρούμενων-αναμενόμενων ρυθμών σεισμικότητας ούτως ώστε να γίνει έλεγχος της αποτελεσματικότητας και της απόδοσης του μοντέλου. Τπολογίστηκαν επίσης οι πιθανότητες γένεσης σεισμού του οποίου το μέγεθος να υπερβαίνει το 6.0 και το 6.5 εντός της επόμενης δεκαετίας. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε αντιστροφή της διαδικασίας Ρυθμού/Κατάστασης, ώστε να χρησιμοποιηθούν οι παρατηρούμενοι ρυθμοί σεισμικότητας για να υπολογιστούν οι μεταβολές του πεδίου των τάσεων. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν οι μεταβολές των ρυθμών σεισμικότητας σε περιοχές όπου το σεισμολογικό δίκτυο εξασφαλίζει επαρκή ποσότητα και ακρίβεια των δεδομένων. Αρχικά γίνεται εκτενής μελέτη του καθορισμού των φυσικών παραμέτρων που υπεισέρχονται στη μοντελοποίηση (καταστατικές παράμετροι ρηγμάτων, ρυθμοί σεισμικότητας αναφοράς) και στη συνέχεια υπολογίζονται οι μεταβολές των τάσεων στο χώρο και στο χρόνο. Μελετάται επίσης η πιθανή συσχέτιση των υπολογιζόμενων μεταβολών των τάσεων με την παρουσία συστάδων σεισμών (clusters) και την αλληλεπίδραση μεταξύ των ρηγμάτων. Και οι δύο προσεγγίσεις του μοντέλου Ρυθμού/Κατάστασης που εφαρμόστηκαν οδήγησαν σε ικανοποιητική συσχέτιση μεταξύ πραγματικών και αναμενόμενων τιμών των υπό μελέτη μεταβλητών (ρυθμοί σεισμικότητας – τάσεις). Η μεθοδολογία αυτή αναμένεται να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για την μελλοντική σεισμολογική έρευνα που αφορά στην χρονικά εξαρτώμενη μελέτη σεισμικής επικινδυνότητας ειδικά μετά τον συνεχή εμπλουτισμό των διαθέσιμων καταλόγων με περισσότερα και ακριβέστερα δεδομένα.