Geodynamic and seismological investigation of the South Hellenic Arc structure

Abstract

This thesis examines foreshock and aftershock seismicity patterns with the accelerated seismic release model and the non-extensive statistical physics approach in the South Aegean. The convergence and subduction of the African lithosphere under the Aegean Sea plate creates the seismically active Hellenic Arc. Strong earthquakes occur frequently, with evidence of a great magnitude earthquake in the past. To evaluate and understand the large earthquake likelihood, the accelerated seismic release model (ASR) has been used as hazard estimation technique. This method uses a power law equation to quantify the cumulative energy release (or Benioff strain, or number events) from the earthquakes that occur before the large event. The mainshocks are considered as critical points while the foreshocks are evolution pattern of the critical phenomena. A theoretical model to explain the earthquake preparation process has been proposed. This is based on the energy conservation laws and non-extensive statistical physics. The analytic expressions of the proposed model indicate the existence of a common critical exponent in the ASR power law equation. In addition, the critical exponent is independent from the measured quantity and reflects the physical parameters of the critical area, such as the Euclidian dimension, the Guttenberg-Richer b-value and the extensivity of the system during the large earthquake preparation period. The evaluation of the proposed model has been carried out with the identification of the critical areas for three strong events in South Aegean with retrospective analysis. The two strong event aftershocks of 2013 and a swarm sequence occurred in 2016 have been located and relocated in order to evaluate the spatiotemporal attributes of these sequences. Cross sections and fault plane solution provided in the examination of the spatial distribution of the events. By combining the detailed aftershock and foreshock catalogues, it is possible to better understand the activation mechanisms. Also, the time differences between two continuous earthquakes (interevent time) has been examined with the ideas of non-extensive statistical physical. The results suggest that a distribution of the entropic index q could explain the extensivity of the system as the q value varies with time. The use of the non-extensive statistical physics has clearly helped to better understand the behaviour of the seismicity patterns.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει σεισμικά μοτίβα προσεισμών και μετασεισμών με το μοντέλο επιταχυνόμενης απελευθέρωσης σεισμικής ενέργειας και με τη προσέγγιση της μη εκτατικής στατιστικής φυσικής στο Νότιο Αιγαίο. Η σύγκλιση και η καταβύθιση της αφρικανικής λιθόσφαιρας κάτω από την πλάκα του Αιγαίου δημιουργεί το σεισμικά ενεργό Ελληνικό Τόξο. Ισχυροί σεισμοί συμβαίνουν συχνά, και υπάρχουν στοιχεία για μεγάλου μεγέθους σεισμού στο παρελθόν. Για την αξιολόγηση και την κατανόηση της πιθανότητας μεγάλου σεισμού, το μοντέλο επιταχυνόμενης απελευθέρωσης σεισμικής ενέργειας (ASR) έχει χρησιμοποιηθεί ως τεχνική εκτίμησης κινδύνου. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μια εξίσωση νόμου ισχύος για να ποσοτικοποιήσει τη σωρευτική απελευθέρωση ενέργειας (ή την παραμόρφωση Benioff ή τα αριθμητικά γεγονότα) από τους σεισμούς που συμβαίνουν πριν από το μεγάλο συμβάν. Οι κύριοι σεισμοί θεωρούνται ως κρίσιμα σημεία ενώ οι προ-σεισμοί αποτελούν πρότυπο εξέλιξης των κρίσιμων φαινομένων. Ένα θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί τη διαδικασία προετοιμασίας του σεισμού έχει προταθεί. Αυτό βασίζεται στους νόμους μεταφοράς της ενέργειας και στη μη εκτατική στατιστική φυσική. Οι αναλυτικές εκφράσεις του προτεινόμενου μοντέλου υποδεικνύουν την ύπαρξη ενός κοινού κρίσιμου εκθέτη στην εξίσωση του νόμου ισχύος ASR. Επιπλέον, ο κρίσιμος εκθέτης είναι ανεξάρτητος από το μετρούμενο μέγεθος και αντικατοπτρίζει τις φυσικές παραμέτρους της κρίσιμης περιοχής, όπως την Ευκλείδεια διάσταση, την b-value του Guttenberg-Richer και την εκτατικότητα του συστήματος κατά την περίοδο προετοιμασίας του μεγάλου σεισμού. Με αναδρομική ανάλυση, πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση του προτεινόμενου μοντέλου με τον εντοπισμό των κρίσιμων περιοχών για τρία ισχυρά γεγονότα στο Νότιο Αιγαίο. Οι παράμετροι των μετασεισμών των δύο ισχυρών σεισμών του 2013 και της σμηνοσειράς που έλαβε χώρα το 2016 προσδιορίστηκαν και επαναπροσδιορίστηκαν προκειμένου να αξιολογηθούν τα χωροχρονικά χαρακτηριστικά αυτών των ακολουθιών. Μηχανισμοί γένεσης και κάθετες τομές στο επίπεδο του ρήγματος παρέχονται για την εξέταση της χωρικής κατανομής των γεγονότων. Συνδυάζοντας τους λεπτομερείς καταλόγους μετασεισμών και προσεισμών, είναι δυνατό να κατανοήσουμε καλύτερα τους μηχανισμούς ενεργοποίησης του ρήγματος. Επιπλέον, οι χρονικές διαφορές μεταξύ δύο συνεχών σεισμών (χρόνος παρεμβολής) έχουν εξεταστεί με τις ιδέες της μη εκτατικής στατιστικής φυσικής. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η χρήση μιας κατανομής του εντροπικού δείκτη q θα μπορούσε να εξηγήσει την εκτατικότητα του συστήματος καθώς η τιμή q ποικίλλει με το χρόνο. Η χρήση της μη εκτατικής στατιστικής φυσικής έχει σαφώς βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των σεισμικών προτύπων.