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Multi-fractal analysis of the spatial distribution of seismicity and its possible forecasting application. Exploration of a possible mechanism for fractality through semi-stochastic modeling
No full textExploramos las propiedades multifractales de dos distribuciones espaciales de sismicidad previa al los sismos de Colima, México de 2003 y Landers USA, de 1992 .We explore the multi-fractal properties of two seismicity spatial distributions previous to the Colima, Mexico, 2003 4.7?WM and Landers, USA, 1992 3.7?WMqD earthquakes
The Poissonian entropy of the spatial distribution of seismicity and its temporal variation as a premonitory to the occurrence of large earthquakes
No full textLa distribución espacial de la sismicidad tiene características que cambian previamente a la ocurrencia de grandes sismos, y la detección y evaluación de dichos cambios precursores pueden ser útiles para complementar o modificar pronósticos sísmicos. Entre los cambios precursores se ha observado la disminución de las dimensiones fractales, que indica que los hipocentros tienden a agruparse, es decir que la distribución espacial se aleja de una distribución uniforme. Por tanto, se trabaja sobre la hipótesis que previamente a un gran sismo los hipocentros tienden a agruparse como respuesta a concentraciones de esfuerzo; la hipótesis nula es, consecuentemente, que las agrupaciones de hipocentros son debidas solamente al azar y corresponden a una distribución de probabilidad espacial uniforme. Como la entropía de Shannon es sensible a heterogeneidades en las probabilidades de la distribución espacial, es razonable proponer el uso de la entropía como observable precursora. Una región sísmica es considerada como un sistema cuyos estados son celdas espaciales, y la entropía depende de las probabilidades de ocurrencia de sismos asignadas a dichos estados. Así, el valor de la entropía depende de la distribución espacial y del número de los hipocentros; para un número dado de sismos dicho valor depende del número de celdas. Por tanto, es necesario diseñar una medida que permita caracterizar una distribución dada y comparar dicha distribución con otras distribuciones. Dado que la entropía de la distribución uniforme depende sólo del número de celdas y que es el máximo valor posible para la entropía, constituye una magnifica referencia para medir otras entropías; por tanto, se propone como medida, el área comprendida entre la entropía observada y la entropía uniforme para un intervalo dado, normalizada por la longitud del intervalo para que la medida sea comparable con las de otras distribuciones. La manera usual de estimar la probabilidad de incidencia en una celda, que llamaremos probabilidad de incidencia, es como la razón del número de eventos en la celda al número total de eventos en la región; esta probabilidad tiene la desventaja de que la entropía basada en ella presenta saturación cuando el número de celdas es mayor que el número total de eventos. Por esta razón, se presenta el concepto de probabilidad Poissoniana normalizada, pues la entropía basada en esta probabilidad es más sensible a las diferencias con respecto a la entropía de la probabilidad uniformeThe spatial distribution of seismicity has characteristics that change prior to the occurrence of large earthquakes, and the detection and evaluation of such precursory changes can be useful to complement or modify seismic forecasts. Among the precursory changes, a diminution of the fractal dimensions has been observed, which indicates that hypocenters tend to cluster, i.e. the spatial distribution differs from the uniform distribution. Therefore, we will work on the hypothesis that before a great earthquake hypocenters tend to cluster in response to stress concentrations; the null hypothesis is, consequently, that the hypocenter clusters are due only to chance and, therefore, correspond to uniform spatial probability distribution. Since Shannon's entropy is sensitive to heterogeneities in the probabilities of a spatial distribution, it is reasonable to propose the use of entropy as an observable precursor. A seismic region is considered as a system whose states are spatial cells, and the entropy depends on the earthquake occurrence probabilities assigned to these states. Thus, the entropy value depends on the spatial distribution and on the number of hypocenters; for a given number of earthquakes, this values depends on the number of cells. Therefore, it is necessary to design a measure that allows to characterize a given distribution and to compare this distribution with other distributions. Since the uniform distribution entropy depends only on the number of cells, and is the maximum possible entropy, it constitutes an excellent reference frame for measuring other entropies; hence, the measure will be the area comprised between the observed and the uniform entropies over a given interval, normalized by the interval length in order to be able to compare a measure with those of other distributions. The usual way of estimating the incidence probability in a cell, which we will call incidence probability, is as the ratio of the number of events in it to the total number of events in the region; this probability has the disadvantage that the entropy based on it presents saturation when the number of cells is larger than the total number of events. Hence, we introduce the concept of normalized Poissonian probability, because the entropy based on it is more sensitive to the differences with respect to the uniform entropy and less subject to saturation than the incidence probability entropy. The usefulness of this measure was tested through application to s
Investigation about variants of the method of markov chains for seismic hazard evaluation.
No full textUn estudio previo presentó un nuevo método para obtener estimaciones de peligro sísmico para un sistema, que es un área geográfica que consta de varias regiones sismo génicas, expresando la probabilidad de ocurrencia de patrones de presencia o ausencia de sismicidad, con magnitud mayor o igual a una magnitud umbral M, en las regiones como una cadena de Markov. La aplicación de este método, basado en el conteo de transiciones entre estados, al que llamaremos aquí directo, al área de Japón dio resultados muy satisfactorios. Esta tesis presenta nuevos métodos de estimación de peligro sugeridos por los resultados del método directo. Dado que la limitante más importante del método directo es la relativa escasez de eventos de alta magnitud, algunos de estos métodos exploran la posibilidad de que sismicidad con magnitud umbral M" contenga información pertinente a la ocurrencia de terremotos con M,M > M;". Estos métodos, llamados aquí cruzados, permiten estimar peligro sísmico para mayores magnitudes que el método directo. El método de conteo cruzado mejora en 6.6% los resultados del método directo. Otros métodos aprovechan la capacidad de aprendizaje de una red neuronal elemental (perceptrón) para modelar el comportamiento markoviano del sistema; métodos neuronales tanto directos como cruzados, fueron implementados con resultados que superan en 67% los delos métodos de conteo. Como parte del estudio, se enfrentó el problema de evaluación del desempeño de los métodos de estimación de peligro. Se optó por emplear funciones calcadoras, i.e. funciones matemáticas que balancean características positivas contra características negativas del método, a manera de asignar una clasificación normalizada que permite comparar diferentes modelos y realizaciones.A previous work introduced a new method for Seismic hazard evaluation in a system, which is a geographic area with distinct, but related seismogenic regions, based on modeling the transition probabilities of states i e. patterns of presence or absence of seismicity, with magnitude greater or equal to a threshold magnitude M,, , in the regions, as a Markov chain. Application of this method, based on a straightforwrd count of observed transitions between states, called here direct, to the Japan area gave very satisfactory results This thesis presents new methods suggested by the results of the direct method. Given that the most important limitation ofthe direct method is the relative scarcity of large magnitude events, we decided to explore the possibilíty that seismicity with magnitude M 2 M;" contains information about the future occurrence of earthquakes withM ZM >' Mfi. These methods, called here mixed methods, allow to estimate Seismic hazard for larger magnitudes that the direct method. The mixed counting method improves the results of the direct method by 6.6%. Other methods use of the learning capacity of an elementary neuronal network (perceptron) to model the markovian behavior of the system; neuronal methods (direct and mixed), were implement.ed and gave results 67% better than the counting methods. Aspart of this study, the problem of performance evaluation of hazard estimation methods is addressed, leading to the use of grading functions, i.e. mathematical functions that evaluate a tradeoff beitween the postive and negative characteristics of the method, so as to assign a normalized grade that allows comparison of different models and realizations
Apparent velocities and space-time clusters as precursors to large earthquakes
No full textCúmulos espacio-temporales de sismos pequeños a moderados son una característica de la sismicidad antes de la ocurrencia de grandes sismos, su identificación puede ser útil para mejorar y complementar pronósticos sísmicos a corto y mediano plazo. Sin embargo, la detección y cuantificación de dichos cúmulos no es tarea sencilla. Se propone un método para identificar cúmulos que ocurren en ventanas espacio-temporales determinadas, mediante el análisis de velocidades aparentes. Cuando ocurren cúmulos espacio-temporales, particularmente si son dos o más, en una ventana de espacio-tiempo determinada, aparecen picos en el histograma de velocidades. Con la información y análisis de los picos se elabora matrices de velocidad aparente en el tiempo, que sirven para identificar concentraciones de sismicidad espaciales y temporales. Se aplicó el método a datos del catálogo del USGS para el sur de California y norte de Baja California, para estudiar la sismicidad previa a los sismos de Landers (1992), Hector Mine (1999), El Mayor-Cucapah (2010) y Ridgecrest (2019). Puesto que los picos de velocidad aparente aparecen poco tiempo antes de la ocurrencia de los grandes sismos, pero no ocurren u ocurren muy débilmente mucho tiempo antes o después de la ocurrencia de la mayoría de las réplicas, podrían estar relacionados con altos niveles de esfuerzo y, por tanto, tener valor como precursor y contribuir a la estimación de riesgo sísmico. Para estimar qué tan significativos son los picos de datos reales, son comparados con histogramas de velocidades aparentes de catálogos sintéticos que corresponden a la hipótesis nula.Space-time clusters of small to moderate earthquakes are characteristic of seismicity before the occurrence of large earthquakes, their identification can improve and complement seismic forecasts in the short and medium terms. Nevertheless, the detection and quantification of such clusters is not an easy task. A method is proposed to identify clusters that occur in certain space-time windows, by analyzing apparent velocities. When space-time clusters occur, particularly if they are two or more, in a given space-time window, peaks appear in the velocity histogram. With the information and analysis of the peaks, apparent velocity matrices over time are made, which serve to identify spatial and temporal seismicity concentrations. The method was applied to data from the USGS catalog for southern California and northern Baja California, to study the seismicity prior to the Landers (1992), Hector Mine (1999), El Mayor-Cucapah (2010) and Ridgecrest (2019) earthquakes. Since apparent velocity peaks appear shortly before the occurrence of large earthquakes, but do not occur or occur very weakly long before or after the occurrence of most aftershocks, they could be related to high stress levels and , hence, could be valuable as a precursor and contribute to the estimation of seismic risk. To estimate how significant the actual data peaks are, they are compared with apparent velocity histograms of synthetic catalogs that correspond to the null hypothesis
Investigation about variants of the method of Markov chains for seismic hazard evaluation
No full textUn estudio previo presentó un nuevo método para obtener estimaciones de peligro sísmico para un sistema, que es un área geográfica que consta de varias regiones sismogénicas, expresando la probabilidad de ocurrencia de patrones de presencia o ausencia deA previous work introduced a new method for seismic hazard evaluation in a system, which is a geographic area with distinct, but related seismogenic regions, based on modeling the transition probabilities of states i.e., patterns of presence or abssence
Analysis of seismic parameters of the seismicity previous to the January 21, 2003, Armeria, Colima, earthquake (MW = 7.4)
No full textFue analizada la sismicidad, ocurrida de 1999 a 2003, previa al sismo de Armería
Identification of seismic aftershocks in catalog
No full textSe diseña e implementa un método para la identificación de réplicas y caracterización de planos de falla a partir de datos de catálogos sísmicos. A partir de la definición de réplica de un evento principal (ocurrido al tiempoA method for aftershock identification and fault plane characterization from seismic catalog data is designed and implemented. From the definition of aftershock of a main event (occurred at time lo. with hypocenter at do, and magni
Process of volcanic seismicity: explosions and tremors in the Volcán de Fuego de Colima Volcano
No full textSe desarrolla un programa para el procesamiento y análisis de datos sismológicos, con la finalidad de obtener tiempos de arribo, absolutos o relativos, de señales sísmicas a las estaciones de una red sismológica. Dichos tiempos pueden ser entonces utilizados para localizar las fuentes de las señales utilizando métodos usuales de localización. El programa incluye herramientas convencionales de despliegue de datos, cursor, zoom, filtrados pasabajos causal y no causal, integración, espectros de Fourier y envolvente analítica. Incluye también métodos de determinación de tiempos relativos mediante, correlación cruzada, filtro de Wiener, comparación de envolventes y determinación de fases de Fourier relativas. Estos métodos están basados en la suposición de que las fuentes de sismos volcánicos tipo B o tremor, tanto, transitorio como sostenido, tienen simetría esférica o cilíndrica y consecuentemente deben generar señales con características en común y, posiblemente, reconocibles de estación a estación. El programa fue aplicado al análisis de la actividad sísmica del Volcán de Fuego de Colima, registrados por la red sismológica telemétrica del estado de Colima (RESCO) durante el periodo febrero–julio de 1999. Los resultados del análisis fueron: Las herramientas convencionales ayudan en la determinación visual de tiempos. Fue calibrada la velocidad de ondas P para el edificio volcánico, y se determinó correcciones de estación para la localización de fuentes sísmicas someras dentro de éste. Once explosiones localizadas, todas someras dentro del edificio volcánico, muestran una alineación posiblemente importante. Las técnicas de reconocimiento de formas no funcionaron debido a que las señales generalmente no tienen fases que sean reconocibles en todas las estaciones, posiblemente a causa de la respuesta de banda muy angosta a altas frecuencias de los instrumentos de RESCO; será conveniente probarlas con otra base de datos para asegurar su utilidad o inutilidad. La técnica de determinación de fases relativas sí funciona bien, particularmente cuando se utiliza una nueva herramienta, espectro mínimo, que ayuda a escoger la frecuencia a utilizar. Los resultados sismológicos fueron: Se determinó velocidades aparentes de tremor y correcciones de estación óptimas. Fueron localizados once episodios de tremor, agrupados en tres extensiones de profundidad. Del análisis de éstos tremores se encontró: Clara correlación entre profundidad de fuente y forma de onda, particularmente clara en el dominio de frecuencias. Migración de fuentes de someras a profundas antes de la ocurrencia de una fuerte explosión, que después regresa a profundidad intermedia. Del análisis espectral es posible identificar algunos efectos de estructuras locales sobre las señales sísmicas, lo que permitió estimar límites para las frecuencias usables para localizar.A program for seismic data processing and analysis is developed with the objective of determining arrival times, absolute or relative, of seismic signals to the stations of a seismological network. These times can then be used for location of the seismic sources using the usual location techniques. The program includes conventional tools for data display, cursor, zoom, low-pass filtering, both causal and non-causal, integration, Fourier spectra, and analytic envelope. It also features tools for the determination of relative times using cross-correlation, Wiener filter, envelope comparison, and determination of relative Fourier phases. These methods are based on the supposition that the sources of volcanic seismic B type earthquakes or tremor, both transient and stationary, have spherical or cylindrical symmetry, so that they should generate signals with shared characteristics and, possibly recognizable from station to station. The program was applied to the analysis of the seismic activity of the Volcán de Fuego volcano, recorded by the Telemetric Seismological Network of the State of Colima (RESCO) in the period February–July 1999. The results of the analysis are: _x0099_ The conventional tools in the program help in visual time determination. P-wave velocity within the volcanic edifice was calibrated, and station corrections for shallow seismic sources within it were determined. ¾ Eleven located explosions, all shallow within the volcanic edifice, show a spatial alignment which may be important.. The shape recognition tools did not work because the signals generally do not have phases recognizable at all stations, possibly due to the very narrow, high frequency response of the RESCO instruments. They should be tried on another database to ascertain their usefulness or uselessness. The technique of relative phase determination does work well, particularly when a new tool, the minimal spectrum, is used for choosing the frequency to use. The seismological results were: ¾ Optimal tremor apparent velocities and station corrections were determined. Eleven tremor episodes were located, grouped in three depth ranges. From the analysis of these tremor was found: Clear correlation between source depth and signal shape, particularly clear in the frequency domain. Source migration, from shallow to deep before the occurrence of a strong explosion, and afterwards a return to intermediate depth. _x0083_ From spectral analysis, it is possible to identify some local structure effects on the seismic signals, from which limits for the frequencies usable for location were estimated
Study of semi-periodicity for large earthquakes in Venezuela and Japan
No full textEs ampliamente aceptado que la generación de sismos en alguna región se debe a procesos críticamente autoregulados, los cuales presentan semiperiodicidad para eventos grandes. Los estudios usuales de periodicidad suponen, simplistamente, que todos los sismos observados en una región determinada corresponden al mismo proceso; lo que resulta en estimaciones erróneas de los periodos de recurrencia. Este estudio considera la posibilidad de que la sismicidad sea causada por más de un proceso semiperiódico y/o de que haya sismos que no estén relacionados con los procesos semiperiódicos observados. La transformada analítica de Fourier de los tiempos de ocurrencia de los sismos, considerados como proceso puntual, permite la identificación de secuencias semiperiódicas, a partir de las cuales es posible pronosticar el próximo sismo de cada secuencia, así como evaluar su nivel de significatividad. Como aplicación del método, se analiza la sismicidad en una región de Japón y en cuatro regiones de Venezuela. Las secuencias identificadas que tienen al menos cuatro eventos y altas probabilidades de ocurrencia no aleatoria, son: una secuencia con M ≥ 8 en Japón, y en Venezuela dos secuencias con M ≥ 5.6 y tres con M ≥ 6 . Las probabilidades de los pronósticos para intervalos alrededor de los tiempos correspondientes, son mayores que las probabilidades de ocurrencia poissoniana, y las ganancias de probabilidad son significativas.It is widely accepted that earthquake generation in a given region is due to critically self–regulated processes, which feature semi-periodicity for large events. Usual periodicity studies suppose, naively, that all earthquakes observed in a given region belong to the same process, which results in erroneous estimations of the recurrence periods. Our study considers the possibility that seismicity may be caused by more than one semi-periodic process and/or that there may be events unrelated to the observed semiperiodic processes. The analytical Fourier transform of the earthquake occurrence times, considered as a point process, allows identification of semiperiodic sequences, based on which it is possible to forecast the next earthquake for each sequence, and to evaluate its significance level. As application of the method, we analyzed the seismicity in one region in Japan and four regions in Venezuela. Sequences having at least four events and high probabilities of non-random occurrence are: one with M ≥ 8 in Japan, and in Venezuela two sequences with M ≥ 5.6 and three with M ≥ 6. The forecast probabilities for intervals centered on the corresponding times are larger than the Poissonian occurrence probabilities, and with probability gains. are
significant
Robustness, uncertainty and Markovianity measures for Markovian and semi-Markovian (one-step memory) estimates of seismic hazard. Application to the regions of Japan and Mexico
No full textPresentamos medidas para cuantificar robustez, incertidumbre, markovianidad, y significatividad de resultados de análisis markovianos para la evaluación del peligro sísmico (la probabilidad de que ocurra uno o más sismos en un rango de magnitud y en ventanas de tiempo y espacio dadas). Proponemos también el uso de un discriminante basado en dichas medidas, adecuadamente normalizadas, que permite asignar una calificación a los resultados de una evaluación, así como escoger entre varios modelos cuál es el que da mejores resultados. Aplicamos las medidas y el discriminante mencionados a la estimación del peligro sísmico en Japón y México, usando la base de datos del catálogo del ISC. Definimos como sistema un área geográfica sísmicamente activa dividida en regiones y los estados markovianos corresponden a dichas regiones; después de cada sismo el sistema se encuentra en el estado correspondiente a la región donde ocurrió el sismo. Delimitamos las regiones con base en las principales estructuras tectónicas y en la sismicidad. Probamos dos estrategias: una sola magnitud umbral para todas las regiones y magnitudes umbral diferentes para cada región que resulten en poblaciones similares para todas las regiones. Se observa que para ambas estrategias magnitudes umbral resultan en estimaciones más markovianas y, en general, mejores, que las resultantes de magnitudes umbral menores. De los modelos óptimos para Japón obtenidos para ambas estrategias encontramos que existe fuerte interacción entre las regiones uno (trinchera de las Kuriles) y dos (trinchera de Japón); la región dos tiene fuerte interacción con la región uno y cuatro (trincheras de Nankai y Ryukyu) ; la región tres (trinchera Izu-Bonin) tiene fuerte interacción con ella misma; la región cuatro tiene fuerte interacción con ella misma y con la región dos; la región cuatro y tres tienen poca interacción entre ellas. Para modelos con magnitudes umbral lo suficientemente grandes para tener buena markovianidad, no hubo suficientes datos para caracterizar los intervalos de transición entre cada par de estados, ni para transiciones agrupadas por estado inicial. Sólo fue posible caracterizar al conjunto global de todos los intervalos observados como una posible distribución exponencial. La aplicación del método a México tiene la limitante de que los datos son escasos, por lo que, los resultados son poco confiables; pero a pesar de esto, se observa mayor markovianidad para magnitudes umbral mayores de 6.9 y ..We present measures to quantify robustness, uncertainty, Markovianity, and significance of Markovian analysis results for the evaluation of seismic hazard (the probability that one or more earthquakes will occur in a given magnitude range and time and space windows). We also propose the use of a discriminant based on these measures, properly normalized, which allows rating the results of an evaluation and choosing which model, among several, gives the best results. We apply the aforementioned measures and discriminant to the estimation of seismic hazard in Japan and in Mexico, using the ISC catalog database. We define a system as a seismically active geographic area divided into regions which constitute the Markovian states; after each earthquake the system is said to be in the state corresponding to the regions where earthquake occurred. We define the regions based on the main tectonic structures and on seismicity. We tested two strategies: a single threshold magnitude for all regions, and different threshold magnitudes for each region that result in similar populations for all regions. It is observed that for both strategies threshold magnitudes result in estimates that are more Markovian and, in general, better, than those resulting from lower threshold magnitudes. From the optimal models for Japan from both strategies, we find that there is a strong interaction between regions one (Kuril trench) and two (Japan trench); region two has strong interaction with region one and four (Nankai and Ryukyu trenches); region three (Izu-Bonin trench) has strong interaction with itself; region four has strong interaction with itself and with region two; region four and three have little interaction between them. For models with threshold magnitudes large enough to have good markovianity, there were not enough data to characterize the transition intervals between each pair of states, nor for transitions grouped by initial state. It was only possible to characterize the global set of all observed intervals as a possible exponential distribution. The application of the method to Mexico is limited because data are few, therefore, the results are not very reliable; but, despite this, markovianity is seen to be larger for threshold magnitudes above 6.9 and the optimal model results for , results that coincide with those for Japan. Since it is reasonable to assume that the occurrence of a large earthquake can influence the activity of the seismogenic region beyond ..
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