Συντάχθηκε 29-07-2020 15:16
Ενημερώθηκε:
29-07-2020 15:57
Τόπος: Εξ’ αποστάσεως – Ανοιχτή στο κοινό – link: https://tuc-gr.zoom.us/j/95158494404?pwd=UG9hbCs5N05UVHBvazlOTjBUZW9hQT09
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 07/08/2020 11:00
Λήξη: 07/08/2020 12:00
Τίτλος: Στατιστική Ανάλυση Δεδομένων Σεισμικής Ακολουθίας από την Νήσο Ζάκυνθο για το Χρονικό Διάστημα 2016-2019
Title: Statistical Analysis of Seismic Sequence Data from the island of Zakynthos for the Time Period 2016-2019
Συμβουλευτική Επιτροπή:
Καθηγητής Χριστόπουλος Διονύσιος, Σχολή ΜΗΧΟΠ (επιβλέπων)
Καθηγητής Βαφείδης Αντώνιος, Σχολή ΜΗΧΟΠ
Μουσλοπούλου Βασιλική , Ερευνήτρια, Γεωδυναμικό Ινστιτούτο, Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών
Περίληψη:
Οι σεισμοί είναι ένα από επικίνδυνο φυσικό φαινόμενο που μπορεί να απειλήσει ανθρώπινες ζωές και να προκαλέσει εκτεταμένες καταστροφές. Για περισσότερο από έναν αιώνα οι στατιστικές ιδιότητες και οι πολύπλοκες διαδικασίες γένεσης των σεισμών (τόσο των προσεισμών όσο και των μετασεισμών) έχουν γίνει αντικείμενο μελέτης από πολλούς επιστήμονες. Στοχαστικά μοντέλα, εμπειρικές σχέσεις και νόμοι έχουν προταθεί ώστε να εξηγηθεί και να αναπαρασταθεί τουλάχιστον ένα μέρος από τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά που εκφράζουν τις σεισμικές ακολουθίες.
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η στατιστική μελέτη της σεισμικής δραστηριότητας πρίν από τον ισχυρό σεισμό (6.6ML) της Ζακύνθου (Ελλάδα) που έλαβε χώρα στις 25 Οκτωβρίου του 2018 καθώς και της μετασεισμικής ακολουθίας που προκλήθηκε από αυτόν. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπόνηση της διπλωματικής, προέρχονται από τον κατάλογο σεισμών του Γεωδυναμικού Ινστιτούτου του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών (ΝΟΑ) και αφορούν τη χρονική περίοδο από 1/06/2016 μέχρι 31/05/2019. Αναφέρονται σε μία περιοχή με πολύ έντονη σεισμική δραστηριότητα η οποία αποτελεί τμήμα του Ελληνικού Τόξου.
Αρχικά μελετήθηκαν οι διάφορες κλίμακες μέτρησης του μεγέθους των σεισμών και δημιουργήθηκε με ανάλυση ζυγισμένη παλινδρόμησης (WLS) μία εμπειρική σχέση μεταξύ του τοπικού μεγέθους (ML) και της αντίστοιχης σεισμικής ροπής (Mw). Για τη δημιουργία αυτής της σχέσης και λόγω της ανεπάρκειας/έλλειψης των σεισμικών καταλόγων με καταγραφές στην κλίμακα μεγέθους σεισμικής ροπής, ήταν απαραίτητο να εξεταστεί ένα σύνολο δεδομένων το οποίο αφορά μια πιο εκτεταμένη χρονική περίοδο (2009-2019). Η εμπειρική σχέση κατόπιν εφαρμόστηκε στα αρχικά δεδομένα για να υπολογιστεί η σεισμική ροπή (Μw). Κατασκευάστηκαν σε προγραμματιστικό περιβάλλον R τα γραφήματα (1) του μεγέθους σεισμικής ροπής ως προς τον χρόνο και (2) της αθροιστικής κατανομής της σεισμικής ροπής ως προς τον χρόνο.
Στη συνέχεια, μελετήθηκε η συχνότητα εμφάνισης σεισμών σε σχέση με το μέγεθος τους εφαρμόζοντας τον νόμο Gutenberg - Richter και προσδιορίστηκε η παράμετρος b (γνωστή και ως b-value). Προαπαιτούμενο της ανάλυσης αυτής είναι ο προσδιορισμός του μεγέθους πληρότητας (Mc) ο οποίος έγινε με τρείς διαφορετικούς τρόπους : (1) με τη μέθοδο του συνολικού εύρους μεγεθών (EMR), (2) με τη μέθοδο μέγιστης καμπυλότητας (MAXC) και (3) με τη δοκιμή καλής προσαρμογής (GFF). Επιπροσθέτως, εξετάστηκε η εξάρτηση της παραμέτρου b-value από το μέγεθος πληρότητας (Mc) και η διακύμανση της παραμέτρου b-value ως προς τον χρόνο, για την περίοδο πριν ΠΌ τον κύριο σεισμό.
Για τη στατιστική ανάλυση των χρόνων αναμονής μεταξύ διαδοχικών σεισμών πριν και μετά από τον κύριο σεισμό εφαρμόστηκαν 5 διαφορετικές κατανομές πιθανότητας (Weibull, Gamma, Pareto, Exponential και Lognormal). Για την σύγκριση και την επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν τα κριτήρια πληροφορίας Akaike (AIC) και κατά Bayes (BIC). Η κατανομή πιθανότητας που εκφράζει καλύτερα τους χρόνους αναμονής πρίν από τον κύριο σεισμό είναι η κατανομή Weibull, ενώ εκείνη που περιγράφει καλύτερα την μετασεισμική ακολουθία είναι η κατανομή Pareto.
Τέλος, μελετήθηκε η συχνότητα της μετασεισμικής ακολουθίας της Ζακύνθου εφαρμόζοντας τον νόμο Omori-Utsu και εκτιμήθηκαν οι παράμετροι του νόμου αυτού (p = 1.57, k= 30531.70 και c = 35.79). Παράλληλα μελετήθηκε η εξάρτηση των παραμέτρων αυτών απο το μέγεθος πληρότητας και απο τον χρόνο. Συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα των παραμέτρων της Ζακύνθου (1) με τις αντίστοιχες παραμέτρους της μετασεισμικής ακολουθίας του σεισμού στην περιοχή Hokkaida-Nansei-Oki, Ιαπωνία (1993) και (2) των σεισμικών ακολουθιών από τους σεισμούς της Κεφαλονιάς (26/1/2014) και της Λευκάδας (17/11/2015).
Τα πιο σημαντικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την διπλωματική αυτή είναι τα ακόλουθα :
- Η εμπειρική εξίσωση τοπικού μεγέθους-σεισμικής ροπής που προσδιορίστηκε, αν και γενικά συμφωνεί με τις εμπειρικές σχέσεις που έχουν προταθεί από σεισμολόγους ενδέχεται σε κάποιες περιπτώσεις να υποεκτιμά το μέγεθος της σεισμικής ροπής.
- Η εφαρμογή του νόμου Gutenberg-Richter και η εκτίμηση της παραμέτρου b-value δίνουν τιμές κοντά στο 1 τόσο για τους σεισμούς πριν τον κύριο σεισμό αλλά και για τη μετασεισμική ακολουθία. Αναλύοντας την παράμετρο b-value ως προς τον χρόνο παρατηρήσαμε μια αύξηση της τιμής της από τον Σεπτέμβριο, 2016 έως Απρίλιο, 2017 φαινόμενο που υποδηλώνει την ύπαρξη σμηνοσεισμικής δραστηριότητας. Αντίθετα, από τον Απρίλιο 2017 μέχρι και λίγο πριν τον κύριο σεισμό παρατηρήθηκε μία πτώση στην τιμή του b-value, η οποία θα μπορούσε να θεωρηθεί ως προάγγελος του κύριου σεισμού.
- Η μετασεισμική ακολουθία συμφωνεί πολύ καλά με με τον νόμο του Omori-Utsu. Οι εκτιμώμενες τιμές των παραμέτρων είναι κοντά στις παρουσιαζόμενες στην βιβλιογραφία τιμές.
- Παρατηρήθηκε εξάρτηση της παραμέτρου p (ανάλογη) από το χρόνο και (αντιστρόφως ανάλογη) από το μέγεθος πληρότητας.
- Η παράμετρος p που έχει υπολογιστεί για τον σεισμό της Ιαπωνίας εμφανίζει μικρές διακυμάνσεις σε αντίθεση με τις τιμές της παραμέτρου της Ζακύνθου.
- Θεωρώντας μετασεισμική ακολουθία με διάρκεια 20 ημερών, η Ζάκυνθος και η Κεφαλονιά εμφανίζουν αρκετά μικρές τιμές της παραμέτρου p (0.38 και 0.48) σε αντίθεση με την Λευκάδα που εμφανίζει τιμή p= 1.08.
Abstract:
Earthquakes are one of the most dangerous natural disasters that can cause widespread damage and loss of human life. For more than a century the complex generating mechanisms and the statistical properties of both foreshock and aftershock sequences have been studied by many scientists. Stochastic models, empirical relations, and seismological laws have been proposed to explain and represent at least some of the observed characteristics of seismic sequences.
The aim of this dissertation is the statistical analysis of the seismic sequence before the main earthquake (6.6ML) of Zakynthos, Greece that took place on October 25, 2018 and the aftershock sequence that resulted from it. The data used in this analysis were obtained from the earthquake catalog of the Institute of Geodynamics of the National Observatory of Athens (NOA). They refer to the period from 1/06/2016 to 31/05/2019 and extend over an area which is part of the Hellenic Trench and has intense seismic activity.
The relation between earthquake magnitude scales was studied, and an empirical relation between local magnitude (ML) and moment magnitude (Mw) was established using weighted linear regression analysis. In order to establish this relation and due to insufficient data in the seismic catalogs with recordings on the moment magnitude scale, it was necessary to study a data set covering a more extended period (2009-2019). The empirical relation was used to express earthquake magnitudes in the moment magnitude (Mw) scale, and the plots of moment magnitude and cumulative seismic moment evolution over time were created in the R programming environment.
Then, the frequency of earthquakes in relation to their magnitude was studied (Gutenberg-Richter law), and the b-value parameter was estimated. A prerequisite for the Gutenberg-Richter analysis is the determination of the magnitude of completeness (Mc), which was estimated with three different methods: (1) by the method of entire magnitude range (EMR), (2) by the method of maximum curvature (MAXC) and (3) with the Goodness of fit (GFF). Furthermore, the dependence of the b-value parameter on the magnitude of completeness (Mc) and the variation of this parameter over time before the main earthquake were examined. The interevent times distribution between successive earthquakes was subsequently studied, for both prior and after the main event, by applying 5 different probability distributions (Weibull, Gamma, Pareto, Exponential and Lognormal). The Akaike information criterion (AIC) and the Bayesian information criterion (BIC) were used to compare the distribution models and to select the optimal model. The distribution that provides the best fit for the interevent times before the main event is the Weibull distribution, while the one that gives the best fit for the aftershock sequence is the Pareto distribution.
Finally, the frequency of seismic events in the Zakynthos aftershock sequence was investigated by applying Omori-Utsu’s (O-U) law; the parameters of this law were estimated as p = 1.57, k = 30531.70 and c = 35.79. In addition, the dependence of the O-U parameters (1) on the magnitude of completeness and (2) on time was studied. The results of the parameters of Zakynthos were compared (1) with the results of the parameters of the aftershock sequence in Hokkaida-Nansei-Oki, Japan (1993), and (2) with the results of the parameters of the aftershock sequences of the Kefalonia (26/1/2014) and Lefkada (17/11/2015) main events.
The most important conclusions derived in this thesis are summarized below:
- The empirical equation of Mw with ML is in good agreement with the empirical relations proposed by seismologists, but in some cases it may underestimate the moment magnitude.
- The implementation of the Gutenberg-Richter law and the estimation of the b-value parameter give expected values close to 1 for the earthquakes before the main event but also for the aftershock sequence. Analyzing the b-value parameter over time, we observed an increase in its value from September 2016 until April 2017. This observation indicates the existence of swarm activity. On the other hand, from April 2017 until shortly before the main earthquake, there was a drop in b-value which could be viewed as a precursor to the main earthquake.
- The aftershock sequence is in good agreement with Omori-Utsu's law, and the O-U parameters are close to literature results.
- The O-U exponent p was found to depend on time (proportionally) and on the magnitude of completeness (inversely proportionally).
- The O-U exponent p estimated for the Japan earthquake shows small dependence on the magnitude of completeness in contrast with the Zakynthos p parameter which depends on Mc.
