Καθορισμός και προσομοίωση χρόνων επανάληψης ισχυρών σεισμών στον Ελληνικό χώρο με τη χρήση στοχαστικών μοντέλων: συμβολή στην εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας

Abstract

The study of the mean recurrence time of strong earthquakes in specific fault or fault segment above a certain magnitude threshold is an appropriate parameter for the study of the temporal behavior of strong earthquakes. Mean recurrence time can be later used as an input for the development of earthquake rupture forecast models, aiming at the probability estimation of a future strong earthquake associated with a given fault in a specific time span. Statistical models applications requires the statistical independency of the earthquakes interevent times data. The magnitude threshold is determined through time series analysis methodologies in distinctive sub-areas of the Greek territory and is found to be linked with intermediate magnitude earthquakes, ensuring the statistical independence of the recurrence intervals of strong earthquakes. The cases where the available recurrence intervals of strong earthquakes per fault or fault segment have a sufficient number for a robust statistical estimation of the mean recurrence time is limited. For this reason the alternative method of seismic moment conservation is applied for the estimation of the mean recurrence time of strong earthquakes which associated with the 191 main fault segments of Greece. The confidence intervals of mean recurrence time estimates are also estimated using two different approaches. Results of these estimations showing good agreement between the two approaches for the majority of the fault segments. The estimated confidence intervals shown a trend of low periodicity of the mean estimated recurrence time. The obtained results are later used for the application of the exponential distribution and the Brownian passage time distribution, which represent the long-term time-independent and a renewal model for the occurrence of strong earthquakes, respectively. Additionally, a physics-based earthquake simulation algorithm was applied in selected fault zones of the Greece, aiming at the generation long-lasting and representative simulated earthquake catalogs for each fault zone. The simulated catalogs are covering a period of 10 thousand years, allowing the robust statistical analysis of the strong earthquakes recurrence times. Results of this analysis indicate that the time-dependent approach for modeling the temporal properties of strong earthquakes performs better than the time-independent one.

Ο καθορισμός του μέσου χρόνου επανάληψης ισχυρών σεισμών που συνδέονται με συγκεκριμένο ρήγμα ή τμήμα αυτού και πάνω από ένα ορισμένο μέγεθος αποτελεί απαραίτητη παράμετρο για την μελέτη της χρονικής συμπεριφοράς των ισχυρών σεισμών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δεδομένο εισόδου σε μελέτες εκτίμησης της σεισμικής επικινδυνότητας μίας συγκεκριμένης περιοχής. Χρησιμοποιώντας τον μέσο χρόνο επανάληψης κάθε ρήγματος είναι δυνατόν να εφαρμοσθούν στατιστικά μοντέλα με σκοπό την εκτίμηση της πιθανότητας γένεσης του επόμενου ισχυρού σεισμού του εκάστοτε ρήγματος σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Ο καθορισμός του κατωφλιού μέγεθος πάνω από το οποίο οι ενδιάμεσοι χρόνοι της σεισμικότητας είναι στατιστικά ανεξάρτητοι είμαι μία σημαντική παράμετρος πριν την εφαρμογή των στατιστικών μοντέλων. Το κατώφλι αυτό καθορίστηκε σε διακριτές περιοχές του ελληνικού χώρου με εφαρμογή μεθόδων ανάλυσης χρονοσειρών και συνδέθηκε με σεισμούς ενδιάμεσου μεγέθους, διασφαλίζοντας την στατιστική ανεξαρτησία των διαστημάτων επανάληψης των ισχυρών σεισμών του ελληνικού χώρου. Οι περιπτώσεις όπου τα διαθέσιμα διαστήματα επανάληψης ισχυρών σεισμών που συνδέονται με συγκεκριμένο ρήγμα έχουν έναν ικανοποιητικό αριθμό για το στατιστικό καθορισμό του μέσου χρόνου επανάληψης είναι ιδιαίτερα περιορισμένες. Για αυτό το λόγο εφαρμόσθηκε η μέθοδος της διατήρησης της σεισμικής ροπής για τον καθορισμό του μέσου χρόνου επανάληψης. Η μέθοδος εφαρμόσθηκε στο σύνολο των 191 κύριων ρηγμάτων του ελληνικού χώρου και των γειτονικών περιοχών του που καθορίστηκαν. Τα διαστήματα εμπιστοσύνης των εκτιμήσεων του μέσου χρόνου επανάληψης εκτιμήθηκαν επίσης με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις. Τα αποτελέσματα των εκτιμήσεων δείχνουν συμφωνία μεταξύ των μεθόδων στην πλειοψηφία των περιπτώσεων των 191 ρηγμάτων. Τα διαστήματα εμπιστοσύνης δείχνουν μία τάση χαμηλής περιοδικότητας του μέσου εκτιμώμενου χρόνου επανάληψης της διάρρηξης των ρηγμάτων που σαν αποτέλεσμα έχουν τη γένεση ισχυρών σεισμών. Τα αποτελέσματα των εκτιμήσεων αυτών χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την εφαρμογή δύο στατιστικών κατανομών, της εκθετικής κατανομής που αντιπροσωπεύει το μακράς διάρκειας χρονο-ανεξάρτητο μοντέλο γένεσης ισχυρών σεισμών και της κατανομής πρώτης μετάβασης της κίνησης Brown που αντιπροσωπεύει ένα μακράς διάρκειας χρονο-εξαρτώμενο μοντέλο ανανέωσης, με στόχο την εκτίμηση των πιθανοτήτων γένεσης των επόμενων ισχυρών σεισμών που συνδέονται με τα κύρια ρήγματα του ελληνικού χώρου και των γειτονικών του περιοχών. Επιπλέον, εφαρμόσθηκε αλγόριθμος προσομοίωσης της σεισμικότητας σε επιλεγμένες ζώνες διάρρηξης του ελληνικού χώρου για την αναπαραγωγή αντιπροσωπευτικών καταλόγων σεισμικότητας για κάθε ζώνη διάρρηξης, που θα καλύπτου διάστημα 10 χιλιάδων ετών. Στόχος αυτής της εφαρμογής είναι η ποσοτική στατιστική ανάλυση του μέσου χρόνου επανάληψης των ισχυρών σεισμών. Από τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης προκύπτει ότι η χρονο-εξαρτώμενη προσέγγιση μοντελοποίησης των χρονικών ιδιοτήτων των ισχυρών σεισμών εμφανίζει καλύτερη απόδοση από τη χρονο-ανεξάρτητη προσέγγιση.