Peculiarities of localization zones of the strongest earthquakes in the Kuril-Kamchatka arc

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The processes occurring during the interaction of crustal blocks in the subduction zone are reflected both in the features of the seismic regime and in the distribution of the strongest earthquake sources in the study area. In this paper we analyze the peculiarities of localization zones of the strongest earthquakes of the Kuril-Kamchatka arc on the basis of data of two catalogs: regional catalog of Kamchatka branch of FRC GS RAS and global international catalog of USGS NIEC of US Geological Service for 1990–2024. Combination of catalogs based on a modified nearest neighbor method allowed us to remove duplicates — repeated earthquakes in initial catalogs — and to obtain a new unified catalog consisting of 52574 earthquakes. The nearest neighbor method was applied to identify two subsets: independent and connected earthquakes in space and time, which were further used to analyze the density of seismic events. The obtained regularities were compared with the focal characteristics of the strongest earthquakes of the subduction zone. The proposed approach allowed us to identify zones of localization of potential mega-earthquake sources along the Kuril-Kamchatka arc.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. N. Besedina

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology

Author for correspondence.
Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny

E. V. Novikova

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences

Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Moscow

P. V. Beloklokov

Moscow Institute of Physics and Technology

Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Dolgoprudny

V. P. Komzeleva

Novosibirsk State University; Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

E. A. Kulik

Moscow Institute of Physics and Technology; Schmidt Institute of Physics of the Earth of Russian Academy of Sciences

Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Dolgoprudny; Moscow

Е. A. Marshakova

Lomonosov Moscow State University; Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences

Email: besedina.an@idg.ras.ru

Kamchatka Branch

Russian Federation, Moscow; Petropavlovsk-Kamchatsky

I. I. Nugmanov

Innopolis University

Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Innopolis

K. Yu. Potapova

Novosibirsk State University; Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: besedina.an@idg.ras.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

References

  1. Абубакиров И. Р., Гусев А. А., Гусева Е. М., Павлов В.М., Скоркина А.А. Массовое определение моментных магнитуд Mw и установление связи между Mw и ML для умеренных и слабых камчатских землетрясений // Физика Земли. 2018. № 1. С. 37–51.
  2. Агибалов А.О., Бергаль-Кувикас О.В., Зайцев В.А., Макеев В.М., Сенцов А.А. Взаимосвязь морфометрических параметров рельефа, характеризующих трещиноватость верхней части литосферы, и проявлений вулканизма Малко-Петропавловской зоны // Геофизические процессы и биосфера. 2023. Т. 22. № 2. С. 122-133.
  3. Авдейко Г.П., Бергаль-Кувикас О.В. Геодинамические условия образования адакитов и NB-обогащенных базальтов (NEAB) на Камчатке // Вулканология и сейсмология. 2015. № 5. С. 1–13.
  4. Авдейко Г.П., Попруженко С.В., Палуева А.А. Тектоническое развитие и вулкано-тектоническое районирование Курило-Камчатской островодужной системы // Геотектоника. 2002. № 4. С. 64.
  5. Будков А.М., Кочарян Г.Г. Численное моделирование распространения сверхсдвигового разрыва по разломам с однородной и гетерогенной поверхностью // Динамические процессы в геосферах. 2021. № 13. С. 10–19.
  6. Бушенкова Н.А., Бергаль-Кувикас О.В., Гордеев Е.И., Чебров Д.В., Кулаков И.Ю., Абкадыров И.Ф., Яковлев А.В., Ступина Т.А., Новгородова А.М., Дрознина С.Я. Структура надсубдукционного комплекса центральной зоны Камчатки по данным плотных сейсмологических сетей. Вулканизм и связанные с ним процессы. Материалы XXV ежегодной научной конференции, посвященной Дню вулканолога / Озеров А.Ю. (ред.). 2022. С. 95–98.
  7. Гирина О.А., Лупян Е.А., Сорокин А.А., Мельников Д.В., Романова И.М., Кашницкий А.В., Уваров И.А., Мальковский С.И., Королев С.П., Маневич А.Г., Крамарева Л.С. Комплексный мониторинг эксплозивных извержений вулканов Камчатки. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН. 2018. 192 с.
  8. Гордеев Е.И., Бергаль-Кувикас О.В. Строение и вулканизм зоны субдукции на Камчатке // Докл. РАН. Науки о Земле. 2022. Т. 502. № 2. С. 72–76.
  9. Гордеев Е.И., Гусев А.А., Левина В.И., Леонов В.Л., Чебров В.Н. Мелкофокусные землетрясения п-ова Камчатка // Вулканология и сейсмология. 2006. № 3. С. 28–38.
  10. Гордеев Е.И., Гирина О.А., Лупян Е.А., Сорокин А.А., Ефремов В.Ю., Мельников Д.В., Маневич А.Г., Романова И.М., Королев С.П., Крамарева Л.С. Возможности использования данных гиперспектральных спутниковых наблюдений для изучения активности вулканов Камчатки с помощью геопортала Volsatview // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 1. С. 267–284.
  11. Гусев А.А., Шумилина Л.С. Повторяемость сильных землетрясений Камчатки в шкале моментных магнитуд // Физика Земли. 2004. № 3. С. 34–42.
  12. Завьялов А.Д., Морозов А.Н., Алешин И.М., Иванов С.Д., Холодков К.И., Павленко В.А. Метод среднесрочного прогноза землетрясений “Карта ожидаемых землетрясений” (КОЗ): опыт использования и перспективы развития // Геофизические процессы и биосфера. 2022. Т. 21. № 2. С. 114–131.
  13. Злобин Т.К., Сафонов Д.А., Полец А.Ю. Распределение землетрясений по типам очаговых подвижек в Курило-Охотском регионе // Докл. РАН. 2011. Т. 440. № 4. С. 527–529.
  14. Злобин Т.К., Пискунов В.Н., Фролова Т.И. Новые данные о структуре земной коры в центральной части Курильской островной дуги // Докл. АН СССР. 1987. Т. 293. № 2. С. 185.
  15. Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б. Физическая мезомеханика очага землетрясения // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 6. С. 9–24.
  16. Кочарян Г.Г., Остапчук А.А. Мезоструктура зоны скольжения тектонического разлома // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25. № 5. С. 94–105.
  17. Кулаков И.Ю., Добрецов Н.Л., Бушенкова Н.А., Яковлев А.В. Форма слэбов в зонах субдукции под Курило-Камчатской и Алеутской дугами по данным региональной томографии // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 6. С. 830–851.
  18. Лобковский Л.И., Габсатаров Ю.В., Алексеев Д.А., Владимирова И.С., Рамазанов М.М., Ломтев В.Л., Нагорных Т.В., Сафонов Д.А. Особенности строения и сейсмотектоники Курильской системы дуга-желоб // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. № 3 (33). С. 94–109.
  19. Ломтев В Л. К строению и истории Курило-Камчатского глубоководного желоба (СЗ Пацифика) // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2012. № 3. С. 36–47.
  20. Матвеенко Е.А., Чеброва А.Ю., Иванов В.Ю., Иванова Е.И., Митюшкина С.В., Раевская А.А., Ромашева Е.И., Токарев А.В., Чемарев А.С. Развитие интерфейса доступа к сейсмологической информации ЕИССД. Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Шестой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 2017. С. 1–7.
  21. Мороз Ю.Ф., Гонтовая Л.И. О глубинном строении Южной Камчатки по геофизическим данным // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 4. С. 1147–1161.
  22. Озеров А.Ю., Гирина О.А., Жаринов Н.А., Белоусов А.Б., Демянчук Ю.В. Извержения вулканов Северной группы Камчатки в начале XXІ века // Вулканология и сейсмология. 2020. № 1. С. 3–19.
  23. Полец А.Ю. Глубокофокусные землетрясения и тектоническое поле современных напряжений в Курило-Охотском регионе // Вестник Дальневосточного отделения РАН. 2017. № 1 (191). С. 26–37.
  24. Симбирева И.Г., Федотов С.А., Фиофилактов В.Д. Неоднородности поля напряжений Курило-Камчатской дуги по сейсмологическим данным // Геология и геофизика. 1976. № 1. С. 70–85.
  25. Федотов С.А., Славина Л.Б. Оценка скоростей продольных волн в верхней мантии под северо-западной частью Тихого океана и Камчаткой // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1968. № 2. С. 8–31.
  26. Федотов С.А., Соломатин А.В. Долгосрочный сейсмический прогноз (ДССП) для Курило-Камчатской дуги на VI 2019-v 2024 гг.; свойства предшествующей сейсмичности в I 2017-V 2019 гг. Развитие и практическое применение метода ДССП // Вулканология и сейсмология. 2019. № 6. С. 6–22.
  27. Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Долгосрочный сейсмический прогноз для Курило-Камчатской дуги на IX 2010-VIII 2015 гг., достоверность предыдущих прогнозов и их применение // Вулканология и сейсмология. 2011. № 2. С. 3–27.
  28. Федотов С.А., Гусев А.А., Чернышева Г.В., Шумилина Л.С. Сейсмофокальная зона Камчатки (геометрия, размещение очагов в ней, связь с вулканизмом) // Вулканология и сейсмология. 1985. № 4. С. 91–107.
  29. Чебров В.Н., Дрознин Д.В., Кугаенко Ю.А., Левина В.И., Сенюков С.Л., Сергеев В.А., Ящук В.В. Система детальных сейсмологических наблюдений на Камчатке в 2011 г. // Вулканология и сейсмология. 2013. № 1. С. 18.
  30. Чебров Д.В., Салтыков В.А., Дрознина С.Я., Ромашева Е.И., Митюшкина С.В., Абубакиров И.Р., Павлов В.М., Раевская А.А., Матвеенко Е.А. Сейсмичность Камчатки и Командорских островов в 2016–2017 гг. // Землетрясения Северной Евразии. 2022. № 25. С. 164–175.
  31. Чебров Д.В., Тихонов С.А., Дрознин Д.В., Дрознина С.Я., Матвеенко Е.А. Система сейсмического мониторинга и прогнозирования на Камчатке и ее развитие. Основные результаты наблюдений в 2016–2020 гг. //Российский сейсмологический журнал. 2021. Т. 3. № 3. С. 28–49.
  32. Чеброва А.Ю., Чемарев А.С., Матвеенко Е.А., Чебров Д.В. Единая информационная система сейсмологических данных в Камчатском филиале ФИЦ ЕГС РАН: принципы организации, основные элементы, ключевые функции // Геофизические исследования. 2020. Т. 21. № 3. С. 66–91.
  33. Чубарова О.С., Гусев А.А., Чебров В.Н. Свойства колебаний грунта при Олюторском землетрясении 20.04.2006 г. и его афтершоках по данным цифровой регистрации // Вулканология и сейсмология. 2010. № 2. С. 57–70.
  34. Шебалин П.Н. Математические методы анализа и прогноза афтершоков землетрясений: необходимость смены парадигмы // Чебышевский сборник. 2018. Т. 19 (4). С. 227–242. https://doi.org/10.22405/2226-8383-2018-19-4-227-242
  35. Baiesi M., Paczuski M. Scale-free networks of earthquakes and aftershocks // Physical Review E–Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2004. V. 69. № 6. P. 066106.
  36. Bennet L., Vale F. Spatial Statistics Illustrated. Redlands, California: Esri Press. 2023. 185 p.
  37. Bürgmann R., Kogan M.G., Steblov G.M., Hilley G., Levin V.E., Apel E. Interseismic coupling and asperity distribution along the Kamchatka subduction zone // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2005. V. 110. № B7.
  38. Christensen D.H., Beck S.L. The rupture process and tectonic implications of the great 1964 Prince William Sound earthquake // Pure and applied geophysics. 1994. V. 142. P. 29–53.
  39. Delouis B., Nocquet J.M., Vallée M. Slip distribution of the February 27, 2010 Mw = 8.8 Maule earthquake, central Chile, from static and high–rate GPS, InSAR, and broadband teleseismic data // Geophysical Research Letters. 2010. V. 37. № 17.
  40. DeMets C., Gordon R.G., Argus D.F., Stein S., Current plate motions // Geophysical Journal International. 1990. V. 101. № 2. P. 425–478.
  41. Dragoni M., Tallarico A. Complex events in a fault model with interacting asperities // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2016. V. 257. P. 115–127.
  42. Falconer D.S. Selection in different environments: effects on environmental sensitivity (reaction norm) and on mean performance // Genetics Research. 1990. V. 56. № 1. P. 57–70.
  43. Green R.G., Sens-Schönfelder C., Tilmann F., Dreiling J., Luehr B., Shapiro N., Koulakov I., Jakovlev A., Abkadyrov I., Gordeev E., Droznin D. Magmatic and sedimentary structure beneath the Klyuchevskoy volcanic group, Kamchatka, from ambient noise tomography // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2020. V. 125. № 3. P. e2019JB018900.
  44. Gusev A.A., Gordeev E.I., Guseva E.M., Petukhin A.G., Chebrov V.N. The first version of the Amax (Mw, R) relationship for Kamchatka // Pure and Applied Geophysics. 1997. V. 149. P. 299–312.
  45. Gvishiani A.D., Vorobieva I.A., Shebalin P.N., Dzeboev B.A., Dzeranov B.V., Skorkina A.A. Integrated earthquake catalog of the eastern sector of the Russian Arctic // Applied Sciences. 2022. V. 12. № 10. P. 5010.
  46. Johanson K.M., Burgmann R., Larson K. Frictional properties on the San Andreas fault near Parkfield, California, inferred from models of afterslip following the 2004 earthquake // Bulletin of the Seismological Society of America. 2006. V. 96. № 4B.P. S321–S338.
  47. Johnson J.M., Satake K. Asperity distribution of the 1952 great Kamchatka earthquake and its relation to future earthquake potential in Kamchatka. Seismogenic and tsunamigenic processes in shallow subduction zones. 1999. P. 541–553.
  48. Kanamori H., Thio H.K., Dreger D., Hauksson E., Heaton T. Initial investigation of the Landers, California, earthquake of 28 June 1992 using TERRAscope // Geophysical Research Letters. 1992. V. 19. № 22. P. 2267–2270.
  49. Kelleher J., McCann W. Buoyant zones, great earthquakes, and unstable boundaries of subduction // Journal of Geophysical Research. 1976. V. 81. P. 4885–4896.
  50. Kikuchi M., Kanamori H. Rupture process of the Kobe, Japan, earthquake of Jan. 17, 1995, determined from teleseismic body waves // Journal of Physics of the Earth. 1996. V. 44. № 5. P. 429–436.
  51. Kocharyan G.G. Scale effect in seismotectonics // Geodynamics & Tectonophysics. 2014. V. 5(2). P. 353–385. https://doi.org/10.5800/GT2014520133
  52. Koulakov I., Shapiro N.M., Sens-Schönfelder C., Luehr B.G., Gordeev E.I., Jakovlev A., Abkadyrov I., Chebrov D.V., Bushenkova N., Droznina S.Y., Senyukov S.L., Novgorodova A., Stupina T. Mantle and crustal sources of magmatic activity of Klyuchevskoy and surrounding volcanoes in Kamchatka inferred from earthquake tomography // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2020. V. 125. № 10. P. e2020JB020097. https://doi.org/10.1029/2020JB020097
  53. Lay T., Kanamori H., Ruff L. The asperity model and the nature of large subduction zone earthquakes // Earthquake Prediction Research. 1982. V. 1. P. 3–71
  54. Lay T., Kanamori H., Ammon C., Hutko A., Furlong K., Rivera L. The 2006–2007 Kuril Islands great earthquake sequence // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2009. V. 114. № B11.
  55. Neo J.C., Huang Y., Yao D., Wei S. Is the aftershock zone area a good proxy for the mainshock rupture area? // Bulletin of the Seismological Society of America. 2021. V. 111. № 1. P. 424–438.
  56. Ostapchuk A., Polyatykin V., Popov M., Kocharyan G. Seismogenic patches in a tectonic fault interface // Frontiers in Earth Science. 2022. V. 10. P. 904814.
  57. Rhea S., Tarr A.C., Hayes G., Villaseñor A., Furlong K.P., Benz H.M. Seismicity of the earth 1900–2007, Kuril-Kamchatka arc and vicinity: U.S. Geological Survey Open-File Report. 2010. 2010–1083-C, scale 1:5,000,000.
  58. Ruff L., Kanamori H. Seismic coupling and uncoupling at subduction zones // Tectonophysics. 1983. V. 99. № 2–4. P. 99–117.
  59. Sawires R., Santoyo M.A., Peláez J.A., Corona Fernández R.D. An updated and unified earthquake catalog from 1787 to 2018 for seismic hazard assessment studies in Mexico // Scientific data. 2019. V. 6. № 1. P. 241.
  60. Scholz C.H. The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge university press. 2019.
  61. Skorkina A.A., Gusev A.A. Determination of corner frequencies of source spectra for subduction earthquakes in Avacha Gulf (Kamchatka) // Russian Geology and Geophysics. 2017. V. 58 (7). P. 844–854.
  62. Senyukov S.L., Droznin D.V., Droznina S.Ya., Shapiro N.M., Nuzhdina I.N. The KISS Network in 2015–2016: Catalogs and Comparison of Processing Results with Operational Estimates from Permanent Network // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2024. V. 60. № 2. P. 300–313.
  63. Song T.A., Simons M. Large Trench-Parallel Gravity Variations Predict Seismogenic Behavior in Subduction Zones // Science. 2003. V. 301. P. 630–633
  64. Soubestre J., Seydoux L., Shapiro N.M., de Rosny J., Droznin D.V., Droznina S.Y., Senyukov S.L., Gordeev E.I. Depth Migration of Seismovolcanic Tremor Sources Below the Klyuchevskoy Volcanic Group (Kamchatka) Determined from a Network-Based Analysis // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. № 14. P. 8018–8030.
  65. Steblov G., Kogan M., King R., Scholz C., Burgmann R., Frolov D. Imprint of the North American plate in Siberia revealed by GPS // Geophysical Research Letters. 2003. V. 30. № 24. P. 1924.
  66. Syracuse E.M., Abers G.A. Global compilation of variations in slab depth beneath arc volcanoes and implications // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2006. V. 7. № 5. P. Q05017.
  67. Tibaldi A. Recent Surface Faulting Investigated in Kamchatka Volcanic Arc // Eos, Transactions American Geophysical Union. 2004. V. 85. № 14. P. 133–136.
  68. Vallée M., Douet V. A new database of Source Time Functions (STFs) extracted from the SCARDEC method // Phys. Earth Planet. Int. 2016. № 257. P. 149–157.
  69. Vorobieva I.A., Gvishiani A.D., Dzeboev B.A., Dzeranov B.V., Barykina Y.V., Antipova A.O. Nearest neighbor method for discriminating aftershocks and duplicates when merging earthquake catalogs // Frontiers in Earth Science. 2022. V. 10. P. 820277.
  70. Vorobieva I., Shebalin P., Soloviev A. Tracing asperities in Kamchatka area using break of slope in magnitude-frequency distribution // EGU General Assembly Conference Abstracts. 2018. V. 20. P. 15860.
  71. Yabe S., Ide S. Why do aftershocks occur within the rupture area of a large earthquake? // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. № 10. P. 4780–4787.
  72. Ye L., Kanamori H., Lay T., Global variations of large megathrust earthquake rupture characteristics // Science Advances. 2018. V. 4 (3). P. eaao4915
  73. Ward Jr J.H. Hierarchical grouping to optimize an objective function // Journal of the American statistical association. 1963. V. 58. № 301. P. 236–244.
  74. Wiemer S. Earthquake statistics and earthquake prediction research. Institute of Geophysics; Zürich, Switzerland. 2000.
  75. Zaliapin I., Ben‐Zion Y. Earthquake clusters in Southern California I: Identification and stability // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2013. V. 118 (6).
  76. Zaliapin I., Gabrielov A., Keilis-Borok V., Wong H. Clustering analysis of seismicity and aftershock identification //Physical review letters. 2008. V. 101. № 1. P. 018501.
  77. Zare M., Amini H., Yazdi P., Sesetyan K., Demircioglu M.B., Kalafat D., Tsereteli N. Recent developments of the Middle East catalog // Journal of seismology. 2014. V. 18. № 4. P. 749–772.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. The study area of ​​the Kuril-Kamchatka arc with earthquake epicenters from the catalogs of the KB FRC EGS RAS (blue), USGS NIEC (red), as well as earthquakes present in both catalogs (purple).

Download (439KB)
3. Fig. 2. A diagram explaining the operation of the duplicate identification and declustering algorithm based on the “nearest neighbor” metric in space and time. The numbers in the circles determine the event’s belonging to the catalog. The letters indicate: H — independent events, C — related events, D — duplicates.

Download (73KB)
4. Fig. 3. Spatio-temporal structure of duplicate identification results, where DTσ = DT / σT, . Events identified as duplicates are shown in red, related events are shown in blue.

Download (256KB)
5. Fig. 4. Distribution of the “nearest neighbor” function for events of the combined catalog in the axes of normalized time and distance.

Download (280KB)
6. Fig. 5. Independent (a) and related (b) earthquakes obtained after combining two catalogues (removing duplicates) and subsequent declustering of the resulting combined catalogue.

Download (490KB)
7. Fig. 6. Maps of the density of the number of independent (a) and related (b) earthquakes in comparison with the rupture areas (red lines) of the strongest earthquakes (M ≥ 7.8) of the Kuril-Kamchatka arc from Table 2. The epicenters of earthquakes before 1990 are marked with green dots, after 1990 - with yellow dots. The numbers indicate the year of the event.

Download (420KB)
8. Fig. 7. Combined density map of the number of independent and coupled events. Yellow symbols indicate earthquakes with Mw ≥ 7 for 1990–2024. For each earthquake, the source function from the SCARDEC database is shown [Vallée, Douet, 2016].

Download (465KB)
9. Fig. 8. Combined event density map compared with the “asperity” models for the Kuril-Kamchatka subduction zone: (a) model 1 [Johnson, Satake, 1999; Burgmann et al., 2005; Rhea et al., 2010], red lines; (b) model 2 [Burgmann et al., 2005], yellow lines; (c) model 3 [Vorobieva et al., 2018], green areas.

Download (330KB)
10. Fig. 9. Combined density map of independent and coupled events. Orange lines outline the contours corresponding to the rupture areas of potential strongest earthquakes of the Kuril-Kamchatka arc with magnitudes of 8, 8.5 and 9.

Download (247KB)

Copyright (c) 2025 Russian academy of sciences