Spatiotemporal Sequences of Earthquake Epicenters as a Subspecies of Grouped Seismic Evens

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Linear sequences of earthquake epicenters (“chains”) related in space and time are studied. A new approach to understanding earthquake chains as a special kind of group (clustered) events is proposed. It is believed that clusters of group earthquakes with pronounced spatial anisotropy potentially represent the desired chains. Such chains are given the physical meaning of markers of activated tectonic faults. A formalized algorithm for the allocation of linear sequences of earthquake epicenters based on the proposed approach has been developed. The search for chains is conducted in the catalog of group earthquakes. Previously, single earthquakes (i.e., not included in clusters) are removed from seismicity. For this, a previously developed algorithm was used, focused on the selection of any interrelated events, and not only (mainly) aftershock and/or foreshock series (Descherevsky et al., 2016a). The proposed method of isolating earthquake chains has been successfully tested on earthquake catalogs of Garm, Iran and central Turkey. Chain maps are provided, and summary statistics of the chain field are discussed. As a rule, these chains can be compared with various tectonic disturbances, but a significant part of them are not tied to known structures. For the Garm district, the continuity of the results obtained with previously performed studies is shown. Like almost any method of analyzing seismic data, the earthquake chain algorithm has a significant number of configurable parameters. Within certain limits, you can vary the criteria for allocating group events, the minimum number of events in the chain and its minimum length, as well as the required level of straightness of the chain. However, all these settings primarily affect the total number of chains found in the catalog, and their location and orientation (azimuths) they almost do not depend on the algorithm settings. This allows us to consider the proposed analysis method as a fundamentally new way of extracting and visualizing information about the spatial and temporal organization of seismicity. A more detailed study of both the structure of earthquake chains and its changes over time in various seismically active regions of the world can contribute to a better understanding of the dynamics of the seismotectonic process.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. V. Deshcherevskii

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: allukk@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Lukk

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Email: lukk@ifz.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Автоматизированная обработка данных на Гармском полигоне / Сидорин А.Я. (ред.). М.-Гарм: ИФЗ АН СССР. 1991. 215 с.
  2. Альшанский М.А. Теория вероятностей и математическая статистика. Учебное пособие. Мин. науки и высшего образования РФ. Екатеринбург: изд-во Урал. ун-та. 2021. 224 с.
  3. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Т. 1 М.: Наука. 1984. 596 с.
  4. Введенская А. В. Особенности процесса разрушения и энергетический баланс в очагах землетрясении. Земная кора сейсмоопасных зон. М.: Наука. 1973. С. 25–37.
  5. Вессон Р.Л., Леонова В.Г., Максимов А.Б. и др. Результаты совместных полевых сейсмологических исследований 1975 г. в районе хр. Петра Первого. Сб. советско-американских работ по прогнозу землетрясений. Душанбе-М.: Дониш. 1976. Т. 1. Кн. 1. С. 43–69.
  6. Выбросы многомерных и регрессионных наборов данных. “ГОСТ Р ИСО 16269-4-2017. Национальный стандарт Российской Федерации. Статистические методы. Статистическое представление данных. Часть 4. Выявление и обработка выбросов” (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 10.08.2017 N 865-ст).
  7. Гамкрелидзе И. П. Планетарная трещиноватость дислоцированных толщ и связанные с нею явления // Геотектоника. 1972. № 6.
  8. Гусев А.А., Палуева А.А. Первые результаты исследования статистики направлений для пар эпицентров землетрясений‐соседей на Камчатке // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7. № 4. С. 529–543. doi: 10.5800/GT‐2016‐7‐4‐0221
  9. Гутенберг Б., Рихтер К. Сейсмичность Земли. Пер. с англ. М.: ИЛ. 1948 118 с.
  10. Делемень И.Ф. Критический обзор алгоритмов, методов и способов выявления пространственно-временной упорядоченности трехмерных точечных множеств локальной и региональной сейсмичности. Проблемы комплексного геофизического мониторинга сейсмоактивных регионов: Тр. Восьмой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, 26.09–2.10.2021 г. Петропавловск-Камчатский. 2021. С. 382–386.
  11. Дещеревская Е.В., Сидорин А.Я. Пространственные распределения погрешностей определения координат землетрясений на гармском полигоне // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46. № 2. С. 69–77.
  12. Дещеревский А.В. Программа ABD. [Электронный ресурс]. https://disk.yandex.ru/d/YMDrgsLkuoV5P (дата доступа: 05.11.2021).
  13. Дещеревский А.В. Корреляция между временными рядами: что может быть проще? [Электронный ресурс]. https://habr.com/ru/post/542638/ (дата доступа: 05.11.2022).
  14. Дещеревский А.В., Мирзоев К.М., Лукк А.А. Критерии группирования землетрясений с учетом пространственной неоднородности сейсмичности // Физика Земли. 2016а. № 1. С. 79–97. doi: 10.7868/S0002333715060022
  15. Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Часть 2. WinABD — пакет программ для сопровождения и анализа данных геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. М.: ОИФЗ РАН. 2016б. Т. 52. № 3. С. 50–80.
  16. Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Программный пакет ABD — универсальный инструмент для анализа данных долговременных наблюдений // НТР. 2016в. Т. 95. № 4. С. 35–48. doi: 10.21455/std2016.4-6
  17. Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Исследование значимости корреляции электрической активности рыб и электротеллурического поля // Биофизика. 2004. Т. 49. Вып. 4. С. 715–722.
  18. Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Поиск влияния гравитационных приливов на региональную сейсмичность Греции разными методами: 2. Корреляционный анализ // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49. № 1. С. 35–39.
  19. Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Итеративный алгоритм декомпозиции временных рядов на тренд и сезонные колебания и его тестирование на примере вариаций концентрации СО2 в атмосфере // Геофизические процессы и биосфера. 2021а. Т. 20. № 1. С. 128–151. doi: 10.21455/GPB2021.1-11
  20. Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Алгоритм адаптивной оценки сезонных колебаний временных рядов и его тестирование на примере вариаций концентрации СО2 в атмосфере // Геофизические процессы и биосфера. 2021б. Т. 20. № 4. С. 147–174. DOI: https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-10
  21. Журавлев В.И., Лукк А.А. Особенности суточной периодичности слабых землетрясений Ирана // Физика Земли. 2012. № 1. С. 63–81.
  22. Каттерфельд Г.Н., Чарушин Г.В. Глобальная трещиноватость Земли и других планет // Геотектоника. 1960. № 6.
  23. Каттерфельд Г.Н., Чарушин Г.В. Региональный критерий выявления систем планетарных трещин. Давления и механические напряжения в развитии состава, структуры и рельефа литосферы. Л.: Недра. 1969.
  24. Каттерфельд Г.Н., Чарушин В.Г. Региональных критерий выявления систем планетарных трещин. Геодинамика, магматизм и минерагения континентальных окраин Севера Пацифики. Материалы Всерос. совещ. Магадан. 2003. Т. I. С. 55–57.
  25. Кейлис-Борок В.И., Кособоков В.Г. Периоды повышенной вероятности возникновения для возникновения сильнейших землетрясений мира. Математические методы в сейсмологии и геодинамике // Вычислительная сейсмология. Вып. 19. М.: Наука. 1986. С. 48–58.
  26. Костров Б. В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука. 1975.
  27. Костров Б. В., Никитин Л. В. Применение методов теории разрушения к изучению очагов землетрясения. Физические основания поисков методов прогноза землетрясений. М.: Наука. 1970.
  28. Кролевец А.Н., Макеев А.М. Компьютерная программа поиска плоскостей пространственного группирования гипоцентров камчатских землетрясений // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2011. № 2 (3). С.69–79.
  29. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика системы разломов // Физика Земли. 2015. № 4. С. 25–30. doi: 10.7868/80002333715040055
  30. Кузьмин Ю.О. Индуцированные деформации разломных зон // Физика Земли. 2019. № 5. С. 61–75. doi: 10.31857/S0002-33372019561-75
  31. Кузьмин Ю.О. Современные объемные деформации разломных зон // Физика Земли. 2022. №4. С.3-18. doi: 10.31857/S0002333722040068
  32. Лукк А.А., Сейсмическая трещиноватость, эрозионная сеть и напряженно-деформированное состояние Гармского района // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1980. № 3. С. 18–29.
  33. Лукк А.А. Выделение линейных образований в структуре сейсмичности путем вычисления скалярных произведений ближайших во времени пар сейсмических событий // Сейсмические приборы. 2022. Т. 58. № 3. C. 61–77. https://doi.org/10.21455/si2022.3-4
  34. Лукк А.А. Пространственно-временные последовательности слабых землетрясений Гармского района // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1978. № 2. С. 25–37.
  35. Лукк А.А., Леонова В.Г. Трещиноватость земной коры Гармского района по статистике механизмов очагов слабых землетрясений // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1978. № 8. С. 33–45.
  36. Лукк А.А., Мирзоев К.М. Некоторые оценки напряженно-деформированного состояния земной коры Русской платформы // Вопросы инженерной сейсмологии. 2020. Т. 47. № 1. С. 70–90. https://doi.org/10.21455/VIS2020.1-4
  37. Лукк А.А., Пивоварова Н.Б., Пухначева Т.П. О точности определения координат очагов местных землетрясений. Математические проблемы геофизики. Новосибирск: Наука. 1973. С. 159–167.
  38. Лукк А.А., Турчанинов И.В. Выявление линейных последовательностей эпицентров землетрясений в сейсмическом поле Гармского района // Физика Земли. 1998. № 10. С. 3–21.
  39. Макаров В. И. Новейшая тектоническая структура Центрального Тянь-Шаня. М.: Наука. 1977.
  40. Макеев А.М., Кролевец А.Н. Применение кластерной технологии к задаче поиска плоскостей группирования гипоцентров землетрясений // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 4. С. 131–135.
  41. Мартынова Г. И. О некоторых особенностях структуры сети планетарных трещин. Давления и механические напряжения в развитии состава, структуры и рельефа литосферы. Л.: Недра. 1969.
  42. Михайлов А. И. Полевые методы изучения трещин в горных породах. М.: Госгеолтехиздат. 1956.
  43. Молчан Г.М., Дмитриева О.Е. Идентификация афтершоков: обзор и новые методы. Современные методы интерпретации сейсмологических данных // Вычислительная сейсмология. Вып. 24. М.: Наука. 1991. С. 19–50.
  44. Мирзоев К.М. Группирование землетрясений Таджикистана // Изв. АН Тадж. ССР. Отд. физ.-мат. и геол.-хим. наук. 1980. № 1(75). Душанбе: Дониш. С. 62–70.
  45. Мирзоев К.М., Азизова А.А. Статистические закономерности группирования коровых землетрясений Таджикистана и прилегающих территорий. Землетрясения Средней Азии и Казахстана в 1981. Душанбе: Дониш. 1983. С. 48–68.
  46. Мирзоев К.М. Методика выделения связанных землетрясений // Докл. АН Тадж. ССР. 1988. Т. XXXI. № 3. С. 182–186.
  47. Переобучение. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5. Дата обращения 13.08.2023.
  48. Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Декластеризация потока сейсмических событий, статистический анализ // Физика Земли. 2019. № 5. С. 38–52. https://doi.org/10.31857/S0002-33372019538-52
  49. Писаренко В. Ф., Скоркина А. А., Рукавишникова Т. А. Как выбирать интервал магнитуд для оценки наклона графика повторяемости // Вулканология и сейсмология. 2023. № 2. С. 1–9. doi: 10.31857/S0203030623700128
  50. Попандопуло Г.А. Метод одновременного определения координат гипоцентров землетрясений и скоростей сейсмических волн // Экспериментальная сейсмология. М.: Наука. 1983. С. 109–118.
  51. Попандопуло Г.А. Определение координат гипоцентров землетрясений на Гармском геофизическом полигоне. Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука. 1991. С. 1–23.
  52. Прозоров А.Г. Динамический алгоритм выделения афтершоков для мирового каталога землетрясений. Математические методы в сейсмологии и геодинамике // Вычислительная сейсмология. М.: Наука. 1986. Вып. 19. С. 58–62.
  53. Раутиан Т.Г. Затухание сейсмических волн и энергия землетрясений // Тр. Ин-та сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН Тадж. ССР. 1960. Т. 7. С. 41–86.
  54. Рулев Б.Г. Локализация очага землетрясения в условиях изменения свойств среды во времени. Землетрясения и процессы их подготовки.1991. М.: Наука. С. 24–35.
  55. Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: Наука. 1990. 240 с.
  56. Смирнов В.Б. Прогностические аномалии сейсмического режима. I. Методические основы подготовки исходных данных // Геофизические исследования. 2009. Т. 10. № 2. С. 7–22.
  57. Студопедия, эллипс погрешностей. https://studopedia.su/12_18038_ellips-pogreshnostey.html. Дата доступа 01.12.2023.
  58. Шебалин П.Н. Цепочки эпицентров как индикатор возрастания радиуса корреляции сейсмичности перед сильными землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2005. № 1. С. 3–15.
  59. Шебалин П.Н. Широкомасштабная краткосрочная активизация сейсмичности перед сильнейшими землетрясениями Японии и Курил // Геофизические процессы и биосфера. 2011. Т. 10. № 1. С. 36–46.
  60. Шебалин П.Н. Увеличение радиуса корреляции и цепочки землетрясений перед сильнейшими сейсмическими событиями // Физика Земли. 2020. № 1. С. 30–42. doi: 10.31857/S0002333720010135
  61. Шевченко В.И., Лукк А.А., Гусева Т.В. Автономная и плейттектоническая геодинамики некоторых подвижных поясов и сооружений. М.: ГЕОС. 2017. 612 с.
  62. Шульц С. С. Планетарная трещиноватость п ориентировка некоторых линейных форм рельефа. Л.: Наука. 1965.
  63. Шульц С. С. О разных масштабах планетарной трещиноватости // Геотектоника. 1966. № 2.
  64. Шульц С. С. Некоторые вопросы планетарной трещиноватости и связанных с нею явлений // Вестн. ЛГУ. 1969. № 6.
  65. Шульц С. С. Планетарные трещины и тектонические дислокации // Геотектоника. 1971. № 4.
  66. Allen C.R. Active faulting in northern Turkey // Calif. Inst. Tech., Div. Geol. Sci. Contrib. 1969. № 1577.
  67. Ambraseys N.N. Some characteristic features of the Anatolian fault zone // Tectonophysics. 1970. V. 9. P. 143–165.
  68. Bakun W.N., McEvilly T.V. Recurrence model and Parkfield, California, earthquakes // Journ. Geophys. Res. 1984. V. 89. № 5. P. 3051–3058.
  69. Cambaz M.D., Turhan E., Yilmazer M., Kekovali K., Necmioglu O. and Kalafat D. A Review on Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute (KOERI) Seismic Network and Earthquake Catalog: 2008–2018. ADGEO. 2019. V. 51. P. 15–23. doi: 10.5194/adgeo-51-15-2019
  70. Console R., Jackson D.D., Kagan Y.Y. Using the ETAS Model for Catalog Declustering and Seismic Background Assessment // Pure and Applied Geophys. 2010. V. 167. № 6. P. 819–830. doi: 10.1007/s00024-010-0065-5
  71. Elie de Boumont L. Recherches sur quelquesunes de revolutions de la surface du globe // Amer. Sci. Nature. 1929. V. 18.
  72. Frohlich C., Davis S.D. Single link cluster analysis as a method to evaluate spatial and temporal properties of earth quake catalogs // Geophys. J. Int. 1990. V. 100. P. 19–32.
  73. Gardner J., Knopoff L. Is the sequence of earthquakes in south ern California, with aftershock removed, Poissonian? // Bull. Seismol. Soc. Am. 1974. V. 64. P. 1363–1367.
  74. Hobbs W. Н. Repeatring patterns in the relief and the structure of the land // Bull. Geol. Soc. Amer. 1911. V. 22. № 2.
  75. Knopoff L. The Statistics of Earthquakes in Southern California // Bull. Seism. Soc. Am. 1964. V. 54. № 6. P. 1871–1873.
  76. Mogi К. Migration of seismic activity // Bull. Earthq. Res. Inst. Univ. Tokyo. 1968. V. 46. P. 53–74.
  77. Ogata Y., Zhuang J. Space–time ETAS models and an improved extension // Tectonophysics. 2006. V. 413. P. 13–23.
  78. Prozorov A.G., Dziewonski A.M. A method of studying variations in the clustering property of earthquakes: Application to the analysis of global seismicity // J. Geoph. Res.: Solid Earth. 1982. V. 87. № B4. P. 2829–2839.
  79. Reasenberg P. Second-order moment of central California seismicity, 1969–82 // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 5479–5495.
  80. Savage W.U. Microearthquake clustering near Fairview Peak, Nevada, and in the Nevada seismic zone // Journal of Geophysical Research. 1972. V. 77. № 35. P. 7049–7056.
  81. Scholz C.H. The Mechanics of Earthquakes and Faulting. Second edition. Cambridge University Press, Cambridge. 2002. 471 p.
  82. Segall P., Du Y., Thatcher W. Were the 1934 and 1966 Park field earthquakes similar? // Seismol. Res. Lett. 1990. V. 61. P. 22.
  83. Sonder R. A. Mechanik der Erde. Schweizbart. Stuttgart. 1956.
  84. Stille H. Uralte Anlage in der Tektonik Europas // Ztschr. d. Deutsch. Geol. Ges. 1947. V. 99.
  85. Vecchio A., Carbone V., SorrisoValvo L. et al. Statistical properties of earthquakes clustering // Nonlin. Process. Geophys. 2008. V. 15. P. 333–338. www.nonlin-processes- geophys.net/15/333/2008/
  86. Vening-Meinesz F. A. Shear patterns of the earth’s crust // Trans. Amer. Geophys. Union. 1947. V. 28.
  87. Wyss М., Slater L., Burford R.O. Decrease in deformation rate as a possible precursor to the next Parkfield earthquake // Nature. 1990. V. 345. № 6274. P. 428–431.
  88. Utsu T. Aftershock and earthquake statistics (I): Some parameters which characterize an aftershock sequence and their interrelations // J. Fac. Sci. Hokkaido Univ. 1969. Ser. VII. № 3. P. 129–195.
  89. Zaliapin I., Gabrielov A., Keilis-Borok V., Wong H. Clustering Analysis of Seismicity and Aftershock Identifcation // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101 (1). P. 1–4.
  90. Zhuang J., Werner M.J., Hainzl S., Harte D., Zhou S. Basic models of seismicity: spatiotemporal models. Community Online Resource for Statistical Seismicity Analysis. 2011. doi: 10.5078/corssa-07487583. Available at http: // www. corssa.org

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. A map of earthquake epicenters in the Garm region with a K ≥ 6.1 indicating the frame of the central part, within which the chains of earthquake epicenters were distinguished. The straight line observed on the graph, formed by ordered epicenter points, marks the position of a low-velocity sedimentary rock outcrop to a depth of 8 km in the southern half of the area adopted in the velocity model of the environment used in calculating earthquake epicenters in the Garm region.

Download (389KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Earthquake recurrence graph within the central part of the Garm region Kc is a representative earthquake energy class.

Download (114KB)
Indexing metadata
4. 3. The dependence of the logarithm of the number of groups on the logarithm of the number of events in the group. The figure does not show the four most powerful clusters with the number of events 132, 133, 138 and 723, formed by the aftershock series of the largest earthquakes, for which the log-linear relationship is violated.

Download (132KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Map of group events in the central part of the Garm district.

Download (360KB)
Indexing metadata
6. 5. Distribution of the numbers of events in the chains (a) and the lengths of the major axes of the ellipse of scattering events in the chains (b).

Download (257KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Map of selected earthquake chains with a magnitude of ≥ 6.1 in the central part of the Garm region for various time stages shown in the figure.

Download (812KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Comparison of the results of the identification of earthquake chains according to the “machine” catalog of group earthquakes in the Garm region (a) and (b) with the results obtained earlier in [Lukk, 1978] (c) and (d), according to two mutually overlapping time intervals in the compared works, indicated in the figure.

Download (877KB)
Indexing metadata
9. Figure 8. Time series of logarithms of the average daily values of the numbers of Turkish earthquakes in the entire time interval under consideration.

Download (196KB)
Indexing metadata
10. 9. Recurrence graphs for the Iranian (2006-2023) (a) and Turkish (2000-2023) (b) earthquakes.

Download (926KB)
Indexing metadata
11. Figure 10. Map of the epicenters of all Iranian earthquakes for 2006-2023 (a) and map of the epicenters of group Iranian earthquakes for the same period (b). The Iranian recording stations, which did not operate until the end of the observation period and were mostly removed after 2010, are not shown in the figure.

Download (867KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Maps of epicenters of all Turkish earthquakes for 2000-2023 (a) and a map of epicenters of group Turkish earthquakes for the same period (b). Turkish recording stations in the amount of 101 units are shown for the period 2004-2015.

Download (732KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Map of Iranian earthquake chains for the epoch of 2006-2013 and 2017-2019.

Download (426KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Map of Iranian earthquake chains for the epoch 2014-2023. Two clusters (1 and 2) are marked, which are discussed below.

Download (457KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Detailed maps of Iranian earthquake chains for two clusters (1 and 2) in the time interval 2014-2023.

Download (871KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. Map of Turkish earthquake chains for 2000-2011 The drawing consists of two parts in order to maintain a readable scale.

Download (745KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Map of Turkish earthquake chains for 2012-2023 The map does not show 4 chains observed in the range of 32-36°.

Download (367KB)
Indexing metadata
18. 17. Histograms of the distribution of azimuth chains found in the Iran catalog for different bin grouping options.

Download (886KB)
Indexing metadata
19. 18. Histograms of the distribution of azimuth chains found in the catalogs of Garma and Turkey. Three bin grouping options are shown for each region, which makes it possible to assess the stability of the observed effects.

Download (988KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences