Μελέηη συποσπονικών πποηύπυν μικποζειζμικόηηηαρ για ηην ζκιαγπάθηζη σαπακηηπιζηικών ενεπγών πηγμάηυν ηη σπήζει ηηρ μεθόδος διπλών διαθοπών και εηεποζςζσέηιζηρ ζειζμικών κςμαηομοπθών.
Spatiotemporal patterns of microseismicity for the identification of active fault structures using seismic waveform cross-correlation and double-difference relocation
Etude spatiotemporelle de la microsismicité pour l'identification de structures de failles actives en utilisant la cross-corrélation de forme d'onde et le relocalisation par double différence..
Résumé
Οη ζεηζκηθέο αθνινπζίεο ραξαθηεξίδνληαη ζπρλά από δηαθξηηά κνηίβα, όπσο ρσξηθέο θαη ρξνληθέο ζπζηάδεο, κνλόπιεπξε, ακθίπιεπξε ή αθηηληθή κεηαλάζηεπζε ππνθέληξσλ θαη εμάξζεηο ζην ξπζκό ζεηζκηθόηεηαο. Απηά εμαξηώληαη από ηε γεσκεηξία ηνπ δηθηύνπ ξεγκάησλ, ην θαζεζηώο ηάζεσλ πεξηθεξεηαθήο θιίκαθαο κε ηνπηθέο αλσκαιίεο εμαηηίαο αλαθαηαλνκήο ηάζεσλ ύζηεξα από ηζρπξά γεγνλόηα ή αζεηζκηθνύο παξάγνληεο όπσο εξππζκό θαη δηάρπζε ξεπζηώλ ππό πίεζε. Δίλαη ζύλεζεο ζηε ρσξηθά ζπζηαδνπνηεκέλε ζεηζκηθόηεηα λα εκθαλίδνληαη ζεηζκνί κε όκνηεο εζηηαθέο παξακέηξνπο (ζκελνζεηζκνί, ή multiplets), νη νπνίνη παξάγνπλ όκνηεο ζεηζκηθέο αλαγξαθέο. ηελ παξνύζα δηδαθηνξηθή δηαηξηβή αμηνπνηείηαη ην θαηλόκελν ηεο νκνηόηεηαο θπκαηνκνξθώλ κε ζθνπό ηε βειηίσζε ηεο ρσξνρξνληθήο θαηαλνκήο ησλ ζεηζκώλ ελόο θαηαιόγνπ, ηόζν ζε πνζόηεηα δεδνκέλσλ, κέζσ κεζόδσλ εκηαπηόκαηεο αλίρλεπζεο θαη εληνπηζκνύ, όζν θαη ζε πνηόηεηα, εθαξκόδνληαο επαλαπξνζδηνξηζκό πςειήο επθξίλεηαο κε ηε κέζνδν ησλ δηπιώλ δηαθνξώλ πνπ ειαρηζηνπνηεί ηηο αβεβαηόηεηεο ησλ ζρεηηθώλ ππνθεληξηθώλ ζέζεσλ. Ζ πξνηηκώκελε κέζνδνο γηα ηε κέηξεζε ηεο νκνηόηεηαο θπκαηνκνξθώλ είλαη ην κέγηζην ηεο ζπλάξηεζεο εηεξνζπζρέηηζεο ζην πεδίν ηνπ ρξόλνπ. Σα ραξαθηεξηζηηθά ηεο εμεηάδνληαη σο πξνο δηάθνξεο παξακέηξνπο, όπσο ηα ζπρλνηηθά θίιηξα πνπ εθαξκόδνληαη, ην κήθνο παξαζύξνπ θαη ε δηάξθεηα ηεο ζεηζκηθήο πεγήο, θαζώο θαη ηε βέιηηζηε ηηκή θαησθιίνπ γηα ζπζηαδνπνίεζε κε ζύλδεζε ηνπ «πιεζηέζηεξνπ γείηνλα». Αλαπηύρζεθε κηα εκηαπηόκαηε κέζνδνο πξνζδηνξηζκνύ ρξόλσλ άθημεο, βαζηζκέλε ζηελ ηερληθή ηνπ «αληρλεπηή ζπζρέηηζεο» πνπ αμηνπνηεί ηελ νκνηόηεηα θπκαηνκνξθώλ ζε πνιιαπινύο ζηαζκνύο. Ζ κέζνδνο απηή έρεη ηξνπνπνηεζεί ζε έλαλ πβξηδηθό αιγόξηζκν πνπ ζπλδπάδεη ηελ απμεκέλε αληρλεπζηκόηεηα ελόο κεκνλσκέλνπ ζηαζκνύ κε έλαλ πςειήο επαηζζεζίαο απηόκαην αιγόξηζκν πξνζδηνξηζκνύ ηνπ ρξόλνπ άθημεο ζεηζκηθώλ θάζεσλ, ν νπνίνο βαζίδεηαη ζην Κξηηήξην Πιεξνθνξίαο ηνπ Akaike θαη ζε ζηαηηζηηθή αλώηεξεο ηάμεσο (θύξησζε θαη ινμόηεηα). Πεξηγξάθεηαη, επίζεο, κία κέζνδνο πξνζδηνξηζκνύ ηνπ κεγέζνπο ζεηζκηθήο ξνπήο κέζα από θαζκαηηθή αλάιπζε, κε έκθαζε ζε ηξνπνπνηήζεηο πνπ επηηξέπνπλ ηνλ ππνινγηζκό ηνπ ζε ηνπηθνύο κηθξνζεηζκνύο κε ζηελό ζπρλνηηθό εύξνο θαη ρακειό ιόγν ζήκαηνο πξνο ζόξπβν. Οη αιγόξηζκνη πνπ αλαπηύρζεθαλ επηηξέπνπλ ηνλ δεθαπιαζηαζκό ηεο πνζόηεηαο ζεηζκώλ ελόο ζεηζκηθνύ θαηαιόγνπ θαη ηε βειηίσζε ηεο πιεξόηεηάο ηνπ θαηά πεξίπνπ κία ηάμε κεγέζνπο.
Παξνπζηάδνληαη δηάθνξεο κειέηεο πεξηπηώζεσλ πνπ πεξηιακβάλνπλ πξόηππα κεηαζεηζκηθώλ αθνινπζηώλ (όπσο γηα ηνπο ζεηζκνύο ηεο Αλδξαβίδαο ην 2008, ηεο Κεθαινληάο ην 2014 θαη ηεο Λεπθάδαο ην 2015) θαζώο θαη ζεηζκηθώλ ζκελώλ (όπσο ζηε Λίκλε Σξηρσλίδα ην 2007, ηελ Οηραιία ην 2011 θαη ηελ Διίθε ην 2013). Ζ θύξηα πεξηνρή κειέηεο είλαη ν δπηηθόο Κνξηλζηαθόο Κόιπνο, κε εηδηθή έκθαζε ζε ζεηζκνύο πνπ θαηαγξάθεθαλ ηελ πεξίνδν 2000-2007 από ην ηνπηθό δίθηπν Corinth Rift Laboratory (CRL). Οη επαλαπξνζδηνξηζκέλνη θαηάινγνη, ύζηεξα από ρσξηθή ζπζηαδνπνίεζε θαη δηαρσξηζκό ζε δηαδνρηθέο ρξνληθέο πεξηόδνπο, δηεξεπλώληαη κέζσ πνιιαπιώλ εγθάξζησλ ηνκώλ θαη ρσξνρξνληθώλ πξνβνιώλ. Ζ εμέιημε ηνπ ηζηνξηθνύ ησλ ζκελνζεηζκώλ δίλεη κία εηθόλα γηα ηνλ ηξόπν κε ηνλ νπνίν εμαπιώλεηαη ε ζεηζκηθόηεηα ζε λέα ηκήκαηα ξεγκάησλ πνπ δελ είραλ δηαξξερζεί, ηελ πξνϋπάξρνπζα δξαζηεξηόηεηα ζε πεξηνρέο πνπ αξγόηεξα έδσζαλ ηζρπξέο ζεηζκηθέο ζπζηάδεο θαη ηελ επαλαιακβαλόκελε ζεηζκηθόηεηα ζε ηκήκαηα ξεμηγελώλ δσλώλ. Όπνπ ηα δεδνκέλα ην επηηξέπνπλ, θαηαζθεπάδνληαη ζύλζεηνη κεραληζκνί γέλεζεο γηα
ρσξηθέο ζπζηάδεο ή νκάδεο ζκελνζεηζκώλ πνπ βνεζνύλ ζπκπιεξσκαηηθά ζηελ εξκελεία ηεο ρσξηθήο αλάιπζεο θαη ηνλ πξνζδηνξηζκό ησλ ελεξγνπνηεκέλσλ ξεμηγελώλ δνκώλ. Αλαδεηνύληαη κνηίβα ρσξνρξνληθήο ζεηζκηθήο κεηαλάζηεπζεο πνπ απνθαιύπηνπλ ηελ πηζαλή επίδξαζε ξεπζηώλ θαηά ηε δηάξθεηα ζεηζκηθώλ ζκελώλ θαη πξνζδηνξίδνληαη παξάκεηξνη όπσο ε πδξαπιηθή δηαρπηηθόηεηα θαη ε ηαρύηεηα κεηαλάζηεπζεο. Σέινο, εμεηάδεηαη ε ζπλεηζθνξά αζεηζκηθώλ παξαγόλησλ κέζα από κνληέια ETAS (Μεηαζεηζκηθή Αθνινπζία πνξαδηθνύ Σύπνπ) πνπ παξέρνπλ, επηπξνζζέησο, πιεξνθνξία γηα ηελ παξαγσγηθόηεηα κεηαζεηζκώλ θαη ηνλ ξπζκό απόζβεζεο.
Earthquake sequences are often characterized by distinctive patterns, such as spatial and temporal clustering, unilateral or bilateral/radial migration and outbreaks in the seismicity rate. These may depend on the fault network geometry, the regional stress regime with localized anomalies due to stress redistribution after large events or aseismic factors such as creeping and diffusion of pressurized fluids. Earthquakes with similar focal parameters, also known as multiplets, are commonly observed during spatially clustered seismicity, producing recordings with similar waveforms. In the present dissertation, the phenomenon of waveform similarity is exploited in order to increase the spatiotemporal resolution of earthquake catalogues by increasing data quantity, through semi-automatic detection and location methods, and improving quality by performing high-resolution double-difference relocation which reduces the relative location uncertainties. The cross-correlation maximum in the time-domain is preferred as a method of measuring waveform similarity. Its characteristics are examined with respect to several parameters, such as the applied frequency filters, the window length and source duration, as well as the optimal threshold for nearest-neighbor linkage. A semi-automatic arrival-time picking method has been developed, based on the technique of the correlation detector which exploits waveform similarity on multiple stations. It is modified into a hybrid algorithm that combines the high detectability of single-station-detection and a high-sensitivity automatic picking technique based on Akaike‘s Information Criterion and higher order statistics. A method for the determination of seismic moment magnitude is also described, with emphasis on modifications which permit its calculation for local microearthquakes with narrow frequency content and low SNR. The developed algorithms are capable to increase the available information by more than ten times and decrease the completeness of a catalogue by up to about one order of magnitude.
Several case studies are presented, including mainshock-aftershock patterns (e.g. the 2008 Andravida, 2014 Cephalonia and 2015 Lefkada sequences), as well as earthquake swarms (e.g. 2007 Trichonis lake, 2011 Oichalia, 2013 Helike). The main study area is the western Corinth Rift, with special emphasis on earthquakes recorded by the Corinth Rift Laboratory (CRL) network during the period between 2000 and 2007. The relocated catalogues, after proper spatial clustering and division to sequential temporal periods, are explored in multiple cross-sections and spatiotemporal projections. The evolution history of multiplets and their generation rate provide implications on how seismicity spreads to new, previously unbroken fault patches, the existence of activity in regions that later produced strong clusters in the form of outbursts and the continuous recurrence of repeating earthquakes on other parts of a seismically active region. Composite focal mechanisms are constructed for spatial clusters or multiplets, where data from local networks permit their calculation, complementing the spatial analysis for the determination of the activated fault structures. Spatiotemporal migration is sought to reveal possible interaction of fluids during swarms and estimate parameters such as hydraulic diffusivity and migration velocity. The contribution of aseismic factors is also examined through ETAS modeling, which, in addition, provides information on the aftershocks productivity and decay rate.
Les séquences sismiques sont souvent caractérisées par des schémas distinctifs, tels que l'agglomération spatiale et temporelle, la migration unilatérale ou bilatérale/radiale ou des accroissements rapides du le taux de sismicité. Ceux-ci peuvent dépendre de la géométrie du réseau de failles, du régime de contrainte régional avec des anomalies localisées dues à la redistribution des contraintes après de grands événements ou à des facteurs sismiques tels que le fluage et la diffusion de fluides sous pression. Les tremblements de terre avec des paramètres focaux similaires, aussi appelés multiplets, sont couramment observés lors de la sismicité en essaims spatiaux, produisant des enregistrements avec des formes d'onde similaires. Dans la présente thèse, le phénomène de similarité des formes d'onde est exploité pour augmenter la résolution spatio-temporelle des catalogues sismiques en augmentant la quantité de données, par des méthodes de détection et de localisation semi-automatiques, et en améliorant la qualité par la réalisation d'une relocalisation à haute résolution à double différence, ce qui réduit les incertitudes relatives à l'emplacement relatif. Le maximum de corrélation croisée dans le domaine temporel est préférable comme méthode de mesure de la similarité des formes d'onde. Ses caractéristiques sont examinées par rapport à plusieurs paramètres, tels que les filtres de fréquence appliqués, la longueur de fenêtre et la durée de la source, ainsi que le seuil optimal pour la liaison proche-voisin. Une méthode semi-automatique de préparation du temps d'arrivée semi-automatique a été développée, basée sur la technique du détecteur de corrélation qui exploite la similarité des formes d'onde sur plusieurs stations. Il est modifié en un algorithme hybride qui combine la haute détectabilité de la détection à station unique et une technique de prélèvement automatique hautement sensible basée sur le critère d'information d'Akaike et des statistiques d'ordre supérieur. Une méthode de détermination de l'amplitude du moment sismique est également décrite, en mettant l'accent sur les modifications qui permettent son calcul pour les micro-séismes locaux à faible fréquence et à faible SNR. Les algorithmes développés sont capables d'augmenter l'information disponible de plus de dix fois et de diminuer l'exhaustivité d'un catalogue d'environ un ordre de grandeur.
Plusieurs études de cas sont présentées, y compris les modèles de chocs principaux et répliques (p. ex. les séquences Andravida 2008, Céphalonie 2014 et Lefkada 2015), ainsi que des essaims de séismes (par exemple 2007 lac Trichonis, 2011 Oichalia, 2013 Helike). La principale zone d'étude est le Rift de Corinthe occidental, avec un accent particulier sur les tremblements de terre enregistrés par le réseau du Corinth Rift Laboratory (CRL) entre 2000 et 2007. Les catalogues déplacés, après une classification spatiale et une division en périodes temporelles séquentielles, sont explorés dans de multiples coupes transversales et projections spatio-temporelles. L'historique de l'évolution des multiplets et de leur taux de production a une incidence sur la façon dont la sismicité se propage à de nouvelles failles ininterrompues, sur l'existence d'une activité dans des régions qui ont par la suite produit de fortes grappes sous forme d'éruptions et sur la récurrence continue de tremblements de terre répétés sur d'autres parties d'une région sismiquement active. Les mécanismes de focalisation composite sont construits pour les clusters ou multiplets spatiaux, où les données des réseaux locaux permettent leur calcul, complétant l'analyse spatiale pour la détermination des structures de failles activées. La migration spatio-temporelle est recherchée pour mettre en évidence l'interaction possible des fluides pendant les essaims et estimer des paramètres tels que la diffusivité hydraulique et la vitesse de migration. La contribution des facteurs sismiques est également examinée au moyen de la modélisation ETAS, qui fournit en outre des informations sur la productivité et le taux de décomposition après les chocs.