Spatiotemporal imaging of earthquake rupture process in high frequencies using backprojection methods

Abstract

This PhD thesis intends to advance existing methods of local back-projection by introducing novel approaches to improve both accuracy and operational efficiency. High-frequency radiation during an earthquake holds critical importance for seismic hazard assessment and mitigation. As a result, local back-projection serves as the only viable method to successfully depict this radiation spatiotemporally. This thesis examines high-quality seismic data from Japan, Greece, Turkey, and the USA providing fresh insights into this method and paving the way for future techniques and seismic models. Significant focus was placed on addressing local site effects that could distort seismic recordings, with new workflows proposed to remove these effects or identify suitable reference stations for accurate analysis. Case studies include the Mw 6.8 Elazig (Turkey, 2020), Mw 6.0 Parkfield (USA, 2004), Mw 7.1 Ridgecrest (USA, 2019), Mw 6.3 and Mw 6.0 events in the Thessaly Basin (Greece, 2021), Mw 5.3 Western Corinth Rift (Greece, 2021) seismic event, Mw 7.0 Samos (Greece, 2020) event and the Mw 6.9 Iwate-Miyagi Nairiku (Japan, 2008) earthquake. Local strong-motion data of the 2020 Mw 6.8 Elazig strike-slip event were examined together with dynamic inversion analysis from other authors, leading to further insights into the stress and frictional parameters of the activated fault. The identified high-frequency radiation exhibits a migration pattern towards the southwest along the strike of the fault, converging at the areas where three multiple-point source subevents were also identified. The 2004 Mw 6.0 Parkfield strike-slip event was also studied and through the analysis, two high-frequency subevents were identified along the San Andreas fault, which aligns with the results of earlier local back-projection efforts. The same applies to the 2019 Mw 7.1 Ridgecrest event which the complex high-frequency radiation and bilateral patterns were also mapped. In the case of the Mw 6.3 and Mw 6.0 events in Thessaly, the spatiotemporal characteristics of the source mechanisms for both normal moderate seismic events were examined using back-projection. The results were carefully compared with kinematic source inversion and stress field data. The 2021 Mw 5.3 Western Corinth Rift seismic event presented a rather special case. By integrating back-projection results with other seismological and geodetic methods from various studies, it was possible to identify the unusual rupture of two fault segments that are orthogonal and conjugate to each other. Consequently, a two fault model was adopted. A detailed study was also performed for the 2020 Mw 7.0 Samos event. In this case, local strong-motion data were back-projected after being assessed and selected for possible site effect influences. Based on the results, multiple high-frequency radiators were identified. Additionally, a new, high-precision catalog for the aftershock sequence was constructed using a deep-learning-based detector and picker. This new catalog contains thousands of additional seismic events compared to the routine catalogs built by local agencies and is accompanied by an enhanced dataset of fault-plane solutions determined with automated techniques. The detailed mapping of complex fault networks activated during the aftershock period indicates the existence of an active transtensional, possibly asymmetric, basin offshore Samos Island. The last case study is the Mw 6.9 Iwate-Miyagi Nairiku earthquake. In this case, the impact of soil effects on local back-projection images was examined. Detailed analysis was conducted using data obtained from both surface and downhole stations of the KiK-net. Surface station data were corrected for site effects using established methods that address nonlinearity effects, providing robust corrections to the seismic signals. Extensive comparisons between corrected surface records, uncorrected surface records, and borehole records reveal that uncorrected surface records can provide biased or inaccurate results. However, applying the propose workflow of site effect corrections significantly enhances back-projection image quality, aligning outcomes more closely with those from borehole (rock) records. Moreover, a comprehensive workflow is proposed for integrating these corrections into future back-projection studies, where borehole records are almost certainly a luxury that is not available. All the studies were implemented using the SSA2py, a software developed within the framework of this thesis. SSA2py is a novel parallel processing code designed for high-performance computing systems, facilitating rapid and precise computation of high-frequency energy using multi-core CPUs and GPUs. All in all, the results of the back-projection analysis validate earlier theoretical and observational research on the spatial distribution of high-frequency energy and its correlation with areas of high slip. Furthermore, our systematic investigation using seismic data from Japan demonstrates practically how site-effects can significantly degrade back-projection images, even with high-quality networks available. However, by effectively mitigating these effects, high-quality back-projection results can be achieved. This thesis also achieves several important outcomes, including the establishment of best practices for local back projection applications and conducting comparative analyses between back-projection results and conventional inversion methods.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η εφαρμογή και εξέλιξη των μεθόδων τοπικής οπισθοπροβολής, με σκοπό την βελτίωση της ακρίβειας τους αλλά και της λειτουργικής τους αποτελεσματικότητας. Η κατανόηση της υψηλού συχνοτικού περιεχόμενου σεισμικής ενέργειας κατά την διάρκεια ενός σεισμικού γεγονότος είναι κρίσιμης σημασίας για τον μετριασμό του σεισμικού κινδύνου. Αυτό καθιστά την τοπική οπισθοπροβολή σαν μια ζωτικής σημασίας μέθοδο για τον επιτυχή εντοπισμό αυτή της ενέργειας χωροχρονικά. Η παρούσα διατριβή εξετάζει υψηλής ποιότητας σεισμικά δεδομένα από την Ιαπωνία, την Ελλάδα, την Τουρκία και τις Η.Π.Α. παρέχοντας νέες γνώσεις για την αυτή τη μέθοδο και ανοίγοντας τον δρόμο για νέες τεχνικές και σεισμικά μοντέλα. Σημαντική έμφαση δόθηκε στην αντιμετώπιση των τοπικών εδαφικών επιδράσεων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ποιότητα των σεισμικών καταγραφών, με νέες ροές εργασίας που προτείνονται για την αφαίρεση αυτών των φαινομένων ή τον εντοπισμό κατάλληλων σταθμών αναφοράς για καλύτερες και πιο ακριβείς ανάλυσεις. Οι μελετώμενες περιπτώσεις είναι οι σεισμοί: Mw 6.8 Elazig (Τουρκία, 2020), Mw 6.0 Parkfield (Η.Π.Α., 2004), Mw 7.1 Ridgecrest (Η.Π.Α., 2019), Mw 6.3-Mw 6.0 Θεσσαλία (Ελλάδα, 2021), Mw 5.3 Δυτικός Κορινθιακός Κόλπος (Ελλάδα, 2021), Mw 7.0 Σάμος (Ελλάδα, 2020) και Mw 6.9 Iwate-Miyagi Nairiku (Ιαπωνία, 2008). Εξετάστηκαν τοπικά δεδομένα ισχυρής κίνησης για το σεισμικό γεγονός Mw 6.8 Elazig μαζί με αποτελέσματα δυναμικών αναλύσεων αντιστροφής από άλλους συγγραφείς, οδηγώντας σε περαιτέρω κατανόηση των παραμέτρων τάσης και τριβής του ενεργοποιημένου ρήγματος. Η προσδιορισθείσα ακτινοβολία υψηλής συχνότητας, κατά την διάρκεια της διάρρηξης, παρουσιάζει ένα μοτίβο μετανάστευσης προς τα νοτιοδυτικά κατά μήκος του ρήγματος, συγκλίνοντας σε περιοχές όπου ήδη είχαν εντοπιστεί υποεκδηλώσεις της σεισμικής πηγής. Μελετήθηκε επίσης το σεισμικό γεγονός του Parkfield και μέσω της ανάλυσης, εντοπίστηκαν δύο υποεκδηλώσεις υψηλής συχνότητας κατά μήκος του ρήγματος του Αγίου Ανδρέα, το οποίο ευθυγραμμίζεται με τα αποτελέσματα προηγούμενων προσπαθειών τοπικής οπισθοπροβολής. Το ίδιο ισχύει και για το γεγονός του Ridgecrest, στο οποίο η ακτινοβολία υψηλής συχνότητας εμφανίζει περίπλοκα μοτίβα χαρτογραφόντας ταυτόχρονα την σεισμική διάρρηξη. Στην περίπτωση των σεισμών της Θεσσαλίας, τα χωροχρονικά χαρακτηριστικά της πηγής συγκρίθηκαν προσεκτικά με αποτελέσματα αντιστροφής πηγής αλλά και με δεδομέτα του πεδίου τάσεων. Το σεισμικό γεγονός του Δυτικού Κορινθιακού Κόλπου αποτελεί μια μάλλον ειδική περίπτωση. Με την μελέτη και σύγκριση των αποτελεσμάτων της τοπικής οπισθοπροβολής με άλλες σεισμολογικές και γεωδαιτικές μεθόδους από διάφορους επιστήμονες, κατέστη δυνατό να εντοπιστεί η ασυνήθιστη διάρρηξη δύο συζηγών ρηγμάτων με ορθογώνια διάταξη. Κατά συνέπεια, υιοθετήθηκε ένα ιδιαίτερο μοντέλο δύο ρηγμάτων. Επίσης πραγματοποιήθηκε λεπτομερής μελέτη για το συμβάν της Σάμου. Σε αυτή την περίπτωση, τα τοπικά δεδομένα ισχυρής κίνησης χρησιμοποιήθηκαν αφού αξιολογήθηκαν για πιθανές επιδράσεις των τοπικών εδαφικών συνθηκών. Επιπλέον δημιουργήθηκε, ένας νέος, υψηλής ακρίβειας κατάλογος για την μετασεισμική ακολουθία χρησιμοποιώντας για τον εντοπισμό των φάσεων αλγόριθμο βασισμένο σε βαθιά μάθηση. Αυτός ο νέος κατάλογος περιέχει χιλιάδες πρόσθετα σεισμικά γεγονότα σε σύγκριση με τους υπόλοιπους διαθέσιμους καταλόγους και συνοδεύεται από μια βελτιωμένη βάση λύσεων μηχανισμών γένεσης που προσδιορίστηκε και αυτός με αυτοματοποιημένες τεχνικές. Η λεπτομερής χαρτογράφηση των πολύπλοκων δικτύων ρηγμάτων που ενεργοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της μετασεισμικής περιόδου υποδεικνύει την ύπαρξη μιας ενεργής διατμητικής, πιθανώς ασύμμετρης, λεκάνης στα ανοικτά της Σάμου. Η τελευταία περίπτωση μελέτης είναι ο σεισμός Mw 6.9 Iwate-Miyagi Nairiku. Σε αυτό το γεγονός, εξετάστηκε βαθύτερα ο αντίκτυπος των τοπικών εδαφικών επιδράσεων του εδάφους στις εικόνες της οπισθοπροβολής. Λεπτομερής ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση δεδομένων που ελήφθησαν τόσο από επιφανειακούς όσο και από υπόγειους σταθμούς του δικτύου Kik-net. Οι καταγραφές των επιφανειακών σταθμών διορθώθηκαν για τις εδαφικές επιδράσεις χρησιμοποιώντας καθιερωμένες μεθόδους, που αντιμετωπίζουν ακόμα και τις επιδράσεις της μη γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους, παρέχοντας τελικά ακριβείς εκτιμήσεις της οριζόντιας ενίσχυσης που στην συνέχεια αφαιρέθηκε από τις καταγραφές. Σύγκριση των αποτελεσμάτων οπισθοπροβολής μεταξύ των διορθωμένων επιφανειακών καταγραφών, των μη διορθωμένων επιφανειακών καταγραφών και των καταγραφών γεωτρήσεων αποκαλύπτουν ότι οι μη διορθωμένες επιφανειακές καταγραφές μπορούν να παρέχουν ανακριβή αποτελέσματα. Ωστόσο, η εφαρμογή διορθώσεων βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα της εικόνας, ευθυγραμμίζοντας τα αποτελέσματα περισσότερο με εκείνα των καταγραφών από γεωτρήσεις. Επίσης εξετάστηκε η ανεξαρτησία των δεδομένων από γεωτρήσεις σε σχέση με τις επιδράσεις του εδάφους. Επιπλέον, προτείνεται μια ολοκληρωμένη ροή εργασίας για την ενσωμάτωση αυτών των διορθώσεων σε μελλοντικές μελέτες οπισθοπροβολής. ΄Ολες οι περιπτώσεις υλοποιήθηκαν με τη χρήση του SSA2py, ενός λογισμικού που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Το SSA2py είναι ένας νέος κώδικας παράλληλης επεξεργασίας που έχει σχεδιαστεί για υπολογιστικά συστήματα υψηλών επιδόσεων, διευκολύνοντας τον ταχύ και ακριβή υπολογισμό των αποτελεσμάτων οπισθοπροβολής. Συνολικά, τα αποτελέσματα της ανάλυσης σε αυτήν την διατριβή επικυρώνουν προηγούμενες θεωρητικές και παρατηρησιακές έρευνες σχετικά με τη χωρική και χρονική κατανομή της ενέργειας υψηλής συχνότητας και τη συσχέτισή της με περιοχές υψηλής ολίσθησης. Επιπλέον, η συστηματική μελέτη, με τη χρήση σεισμικών δεδομένων από την Ιαπωνία, αποδεικνύει πως οι επιδράσεις των εδαφικών συνθηκων μπορούν να υποβαθμίσουν τις εικόνες οπισθοπροβολής, ακόμη και με διαθέσιμα δίκτυα υψηλής ποιότητας. Με την αφαίρεση αυτών των επιδράσεων, μπορούν να βελτιωθούν και τα αποτελέσματα οπισθοπροβολής. Η παρούσα διατριβή τέλος αναδεικνύει και άλλες πτυχές, όπως την καθιέρωση βέλτιστων πρακτικών για τοπικές εφαρμογές οπισθοπροβολής και την διεξαγωγή συγκριτικών αναλύσεων μεταξύ των αποτελεσμάτων της οπισθοπροβολής και των συμβατικών μεθόδων αντιστροφής.