Στοχαστική μοντελοποίηση της σεισμογένεσης στην Ελλάδα

Η εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας σύνθετων συστημάτων ρηγμάτων, ιδιαίτερα σε χώρες που πλήττονται συχνά από ισχυρούς σεισμούς, όπως η Ελλάδα, προσελκύει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας διεθνώς. Προς αυτή την κατεύθυνση είναι προσανατολισμένη η παρούσα διατριβή με απώτερο σκοπό να παραχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα για την εκτίμηση πιθανοτήτων γένεσης επικείμενων σεισμών σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από έντονη σεισμικότητα, όπως τον Κορινθιακό Κόλπο, τις κεντρικές Ιόνιες Νήσους, το Βόρειο Αιγαίο αλλά και τον ευρύτερο Ελληνικό χώρο. Αρχικά διερευνήθηκε το Μοντέλο Απελευθέρωσης Τάσης, όπου θεωρείται ότι η ελαστική ανηγμένη παραμόρφωση συσσωρεύεται σε ένα ρήγμα λόγω της συνεχούς τεκτονικής φόρτισης και απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Το Συζευγμένο Μοντέλο Απελευθέρωσης Τάσης, που αποτελεί εκτεταμένη εκδοχή, εξετάζει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ρηγμάτων και περιοχών, επιτρέποντας διέγερση ή αποδιέγερση της σεισμικής δραστηριότητας γειτονικών περιοχών, λόγω μεταφοράς τάσης. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε σε υπολογιστικά ζητήματα και τρόπους με τους οποίους μπορεί να βελτιωθεί το μοντέλο. Έγινε εμβάθυνση στη βασική συνάρτηση που ελέγχει τη στοχαστική συμπεριφορά της διαδικασίας και ονομάζεται υπό συνθήκη συνάρτηση έντασης. Προτάθηκε μία τροποποίηση του μοντέλου, όπου διερευνάται η μνήμη της σημειακής διαδικασίας, με τέτοιο τρόπο ώστε η γένεση ενός επερχόμενου σεισμού να εξαρτάται μόνο από ένα περιορισμένο πλήθος προηγούμενων αφίξεων. Δόθηκαν διαφορετικοί τρόποι διερεύνησής των αλληλεπιδράσεων στο Συζευγμένο Μοντέλο Απελευθέρωσης Τάσης, που περιλαμβάνουν τον έλεγχο των διαστημάτων εμπιστοσύνης των παραμέτρων μεταφοράς, την εφαρμογή στατιστικών κριτηρίων αλλά και την εισαγωγή εκ των προτέρων περιορισμών που έχουν προκύψει με βάση το γεωφυσικό νόημα της σημειακής διαδικασίας. Ένα τέτοιο χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η εφαρμογή του σεισμικού μοντέλου μεταφοράς τάσης. Για τη μελέτη της βραχείας κλίμακας σεισμικότητας, εφαρμόστηκε το στατιστικό μοντέλο ETAS, το οποίο παρέχει τη δυνατότητα ποσοτικοποίησης της σχέσης μεταξύ των σεισμών. Για κάθε περιοχή μελέτης προτάθηκε ένα επιδημικό μοντέλο σύμφωνα με τα δεδομένα που προέρχονται από κάποια περίοδο εκμάθησης. Κατά την περίοδο αυτή το μοντέλο «εκπαιδεύεται» στο χωρο–χρονικό μοτίβο σεισμικότητας, προκειμένου να μπορεί να προσαρμοστεί έγκαιρα μετά τη γένεση ενός ισχυρού σεισμού και να προβλέψει μελλοντικά γεγονότα. Στη συνέχεια έγινε αναδρομικός έλεγχος της απόδοσης του μοντέλου σε κάποια περίοδο ελέγχου, που περιλαμβάνει κατά προτίμηση κάποιον ισχυρό σεισμό. Εκτός από τον έλεγχο με βάση τις ημερήσιες πιθανότητες γένεσης σεισμών πάνω από ένα ορισμένο κατώφλι μεγέθους, η σύγκριση περιελάμβανε το πλήθος των σεισμών –παρατηρούμενων και αναμενόμενων σύμφωνα με το μοντέλο – σε ημερήσια βάση. Επιπλέον, εκτιμήθηκε η χωρική κατανομή των αναμενόμενων σεισμών μέσα από χάρτες χρονικά εξαρτώμενης σεισμικότητας, με στόχο να ελεγχθεί αν συνάδει με τα επίκεντρα των παρατηρούμενων σεισμών. Υιοθετήθηκε τέλος η μέθοδος Pattern Informatics. Δημιουργήθηκαν πίνακες συνάφειας στους οποίους υπολογίζεται κάθε φορά το πλήθος των σεισμών που ορθώς προβλέφθηκαν, το πλήθος των εσφαλμένων συναγερμών, το πλήθος των επιτυχημένων προβλέψεων μη γένεσης και το πλήθος των σεισμών που δεν προβλέφθηκαν. Με βάση αυτές τις ποσότητες υπολογίστηκαν οι τιμές του Ρυθμού των Επιτυχιών και του Ρυθμού των Εσφαλμένων Συναγερμών, του R-αποτελέσματος και του κέρδους πιθανοτήτων, δηλαδή στατιστικών κριτηρίων για τον έλεγχο απόδοσης του μοντέλου, και κατασκευάστηκαν διαγράμματα ROC για να διαπιστωθεί αν τα αποτελέσματα σχετίζονται με αξιόπιστες εκτιμήσεις για την εξέλιξη μίας μετασεισμικής ακολουθίας.

A statistical feature of anomalous seismic activity prior to large shallow earthquakes in Japan revealed by the pattern informatics method

To reveal the preparatory processes of large inland earthquakes, we systematically applied the pattern informatics (PI) method to earthquake data of Japan. We focused on 12 large earthquakes with magnitudes greater than M = 6.4 (based on the magnitude scale of the Japan Meteorological Agency) that occurred at depths shallower than 30 km between 2000 and 2010. We examined the relationship between the spatiotemporal locations of these large shallow earthquakes and the locations of PI hotspots, which correspond to grid cells of anomalous seismic activity during a designated time span. Based on a statistical test conducted using Molchan's error diagram, we investigated whether precursory anomalous seismic activity occurred in association with these large earthquakes and, if so, studied the characteristic time spans of such activity. Our results indicate that Japanese inland earthquakes with M ≥ 6.4 are typically preceded by anomalous seismic activity in timescales of 8–10 years.

A statistical feature of anomalous seismic activities prior to large shallow earthquakes in Japan revealed by the Pattern Informatics method

For revealing the preparatory processes of large inland earthquakes, we systematically applied the Pattern Informatics method (PI method) to the earthquake data of Japan. We focused on 12 large earthquakes with magnitudes larger than M = 6.4 (an official magnitude of the Japan Meteorological Agency) that occurred at depths shallower than 30 km between 2000 and 2010. We examined the relation between the spatiotemporal locations of such large shallow earthquakes and those of PI hotspots, which correspond to the grid cells of anomalous seismic activities in a designated time span. Based on a statistical test using Molchan's error diagram, we inquired into the existence of precursory anomalous seismic activities of the large earthquakes and, if any, their characteristic time span. The test indicated that the Japanese M ≧ 6.4 inland earthquakes tend to be preceded by anomalous seismic activities of 8-to-10-yr time scales.