Active tectonics and space-time dependent seismicity in the region of Central Asia

Abstract

Central Asia, India and a part of the Arabian Peninsula constitute the region of interest for this Thesis. This very large area, characterized by so many different seismicity levels and tectonic profiles, is the only common ground for the two parts of this work. In the first part, the present tectonic setting is examined by the estimation of the stress regime. The direction of the primary stress axes in all major tectonic features is calculated by the “classical” Stress Inversion method (FMSI), but also by a new approach based on the application of Fisher statistics on the distribution of all possible maximum, medium and minimum compression axes (FD-BSM). In the second part of this work, we apply a time-dependent seismicity model (D-AS) in the same area. The model is applied on the entire region for sequential time points through a “blind” test approach in order to evaluate the results (possible locations of ensuing mainshocks and artificial anomalies), compared to the large earthquakes occurred in the area the previous decade. More specifically, this study is comprised by five chapters: In the first chapter we present general information of the study region and the main targets of this thesis. We also describe the tectonic history and present information about the geology and the tectonic characteristics of the entire study region divided into seven sub-areas. In addition, the fundamental principles, the theory and the basic equations of the two methods used in this work (Stress Inversion method, D-AS model) are also described in this chapter. In the second chapter we give a description of the data types retrieved and processed and their sources. The two methods used in this work required two different sets of data: a) earthquake focal mechanisms and b) an earthquake catalog of homogeneous magnitude. We give a brief presentation of the original data sources used for the first method (Stress Tensor Inversion), the strategy of combining information from those sources and the criteria for the final clustering of the focal mechanisms to small, strictly located groups. We also describe the basic steps followed for the second data set (required for the application of D-AS model), a new, homogeneous earthquake catalog including data from several different sources. The completeness magnitude of the new catalog is also examined by several methods in time and space. The application of the Stress Inversion for the estimation of the stress regime over the study area is thoroughly presented in the third chapter. We also describe in summary the theory of Fisher statistics which gave us the original idea for the new algorithm (FD-BSM). The new algorithm is also applied in all data groups in comparison to the commonly used method (FMSI) of Gephard and Forsyth, (1984). In addition, the comparison between results of both approaches through statistical tests is also presented in this chapter. Finally we give in detail the estimated stress regime by FMSI and FD-BSM for every group of focal mechanisms included within the seven sub-regions of our interest. The model of decelerating-accelerating seismicity (D-AS) was tested for large earthquakes occurred in Central Asia and its surroundings. The results are described in detail in chapter four. We used this model to examine the entire study region through “blind” tests in 31 sequential time points from 1994 to 2009 and for a wide magnitude range (7.0≤M≤8.0). The results can be categorized in three different types: a) mainshocks detected by this procedure, b) mainshocks not detected, and c) spurious anomalies. A further investigation of these results was made through backward or forward tests with D-AS model. Finally, in chapter five, the last chapter of this thesis, we discuss the concluded results from the two parts of this study. The stress regime estimated by FMSI and FD-BSM for every data group, as well as the directivity distribution of the major stress axes between results from neighbor data groups, is compared to the corresponding tectonic characteristics of the high seismicity zones. We also present the advantages and weaknesses of the homogeneous earthquake catalog compiled in the second chapter. Finally, we discuss the test results from the application of the D-AS model through blind, backward as well as forward tests in several parts over Central Asia and present our final conclusions. Maps presented in this work have been produced with the GMT - Generic Mapping Tools (Wessel, P. and Smith, W., 1988) and GeomapApp program (http://www.geomapapp.org). All other figures were produced with the Grapher and Corel software. Most algorithms used in this study are written in Fortran. In addition, ZMAP tool (Wiemier, S., 2001) was used for the estimation of completeness magnitude by several methods.

Η Κεντρική Ασία, η Ινδία και τμήμα της Αραβικής χερσονήσου αποτελούν την περιοχή ενδιαφέροντος της παρούσας μελέτης. Αυτή η πολύ μεγάλη περιοχή, που χαρακτηρίζεται κατά τόπους από πολύ διαφορετικά τεκτονικά χαρακτηριστικά και επίπεδα σεισμικότητας, είναι το μοναδικό κοινό σημείο αναφοράς ανάμεσα στα δύο τμήματα αυτής της μελέτης. Στο πρώτο μέρος εξετάζεται το τεκτονικό περιβάλλον της περιοχής υπολογίζοντας το καθεστώς των τάσεων. Χρησιμοποιώντας την κλασσική μέθοδο της αντιστροφής πεδίου τάσεων, (FMSI), υπολογίζουμε τη διεύθυνση των αξόνων μέγιστης, μέσης και ελάχιστης συμπίεσης σε όλες τις μεγάλες τεκτονικές δομές της περιοχής. Οι ίδιες διευθύνσεις υπολογίζονται επίσης και μέσω μίας νέας προσέγγισης, (FD-BSM), εφαρμόζοντας τη στατιστική Fisher στην κατανομή όλων των πιθανών τριαξονικών μοντέλων τάσεων που υπολογίζονται από την παραπάνω κλασσική μεθοδολογία. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας μελέτης εφαρμόζεται στην Κεντρική Ασία και τις γύρω περιοχές ένα μοντέλο χρονικά-εξαρτημένης σεισμικότητας (D-AS). Το μοντέλο εφαρμόζεται σε ολόκληρη την περιοχή για διαδοχικά χρονικά σημεία, μέσω τυφλών τεστ με σκοπό να αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα (πιθανά επίκεντρα επικείμενων σεισμών και τεχνητές ανωμαλίες), σε σύγκριση με τους ισχυρούς σεισμούς που πράγματι εκδηλώθηκαν στην περιοχή την προηγούμενη δεκαετία. Αναλυτικότερα, η παρούσα διατριβή αποτελείται από πέντε κεφάλαια: Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε γενικές πληροφορίες για την περιοχή μελέτης και τους κύριους στόχους της παρούσας διατριβής. Περιγράφουμε επίσης την τεκτονική ιστορία ολόκληρης της περιοχής καθώς και στοιχεία για τη γεωλογία της και τα σύγχρονα τεκτονικά της χαρακτηριστικά χωρίζοντάς την σε επτά μικρότερες υπο-περιοχές. Επιπλέον, στο παρόν κεφάλαιο περιγράφονται οι βασικές αρχές, η θεωρία και οι βασικές εξισώσεις των δύο μεθοδολογιών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη (Μέθοδος Αντιστροφής πεδίου τάσεων, μοντέλο επιβραδυνόμενης-επιταχυνόμενης σεισμικότητας). Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφουμε τα είδη των δεδομένων που χρησιμοποιήσαμε και τις πηγές τους. Οι δύο μεθοδολογίες απαιτούν τη χρήση διαφορετικού τύπου δεδομένων: α) μηχανισμούς γένεσης σεισμών και β) ομογενή ως προς το μέγεθος κατάλογο σεισμών για την περιοχή. Περιγράφουμε συνοπτικά τις αρχικές πηγές δεδομένων που χρησιμοποιήσαμε για τη μέθοδο της αντιστροφής πεδίου τάσεων, τον τρόπο με τον οποίο συνδυάσαμε τις πληροφορίες αυτές και τα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν για τον τελικό διαχωρισμό των μηχανισμών γένεσης σε μικρές, χωρικά εστιασμένες ομάδες. Περιγράφονται επίσης τα βασικά βήματα για την σύνθεση του δεύτερου σετ δεδομένων, ενός νέου, ομογενούς καταλόγου σεισμών που περιλαμβάνει δεδομένα από πολλές διαφορετικές πηγές. Η πληρότητα του νέου καταλόγου επίσης εξετάζεται στο κεφάλαιο αυτό από αρκετές μεθόδους, τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Η εφαρμογή της μεθόδου της αντιστροφής πεδίου τάσεων, (FMSI), στην περιοχή μελέτης παρουσιάζεται αναλυτικά στο τρίτο κεφάλαιο. Περιγράφεται επίσης συνοπτικά η στατιστική Fisher πάνω στην οποία βασίστηκε η αρχική ιδέα για την δημιουργία ενός νέου αλγορίθμου, (FD-BSM), που επιλέγει με διαφορετικά κριτήρια το προτεινόμενο πεδίο τάσεων. Το νέο πρόγραμμα εφαρμόστηκε παράλληλα με την κλασσική μέθοδο, (FMSI), των Gephard και Forsyth, (1984) σε όλες τις ομάδες δεδομένων και έγινε σύγκριση και στατιστική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται λεπτομερώς, ανά υπό-περιοχή, το προτεινόμενο πεδίο τάσεων ανά ομάδα σύμφωνα με το FMSI και το FD-BSM. Το μοντέλο της επιβραδυνόμενης-επιταχυνόμενης σεισμικότητας (D-AS) εφαρμόστηκε σε ολόκληρη την περιοχή μέσω τυφλών τεστ σε 31 διαδοχικά χρονικά σημεία (ανά εξάμηνο), από το 1994 έως το 2009 και για ευρύ φάσμα μεγεθών (7.0≤M≤8.0). Τα αποτελέσματα περιγράφονται στο τέταρτο κεφάλαιο και χωρίζονται γενικά σε τρεις κατηγορίες: α) ισχυροί σεισμοί που ανιχνεύθηκαν από το μοντέλο μέσω των τυφλών τεστ, β) ισχυροί σεισμοί που δεν ανιχνεύθηκαν και γ) πλασματικές ανωμαλίες. Περαιτέρω έλεγχος των αποτελεσμάτων αυτών γίνεται μέσω αναδρομικών προγνώσεων με το ίδιο μοντέλο, εστιάζοντας σε ισχυρούς σεισμούς που εκδηλώθηκαν στην περιοχή κυρίως την προηγούμενη δεκαετία και εφαρμογή του μοντέλου για πιθανές μελλοντικές προγνώσεις. Τέλος, στο κεφάλαιο πέντε, συζητούμε τα αποτελέσματα που προέκυψαν στα δύο τμήματα της παρούσας διατριβής. Το πεδίο τάσεων που υπολογίστηκε ανά ομάδα μηχανισμών γένεσης από τα FMSI και FD-BSM καθώς και η μεταβολή της διευθυντικότητας των προτεινόμενων κύριων αξόνων τάσης συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των γειτονικών ομάδων και τα τεκτονικά χαρακτηριστικά των αντίστοιχων ζωνών υψηλής σεισμικότητας. Παρουσιάζονται επίσης τα πλεονεκτήματα και οι αδυναμίες του ομογενούς καταλόγου σεισμών που συντέθηκε για τις ανάγκες της παρούσας διατριβής ενώ συζητούμε τα αποτελέσματα των τυφλών τεστ από την εφαρμογή του μοντέλου D-AS, καθώς και των αναδρομικών και μελλοντικών προγνώσεων σε περιοχές της Κεντρικής Ασίας και παρουσιάζουμε τα τελικά μας συμπεράσματα.