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Publicação
Dynamic triggering of seismic activity in rifting and volcanic settings
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Orientador(es)
Resumo(s)
As interações entre sismos são importantes objetos de estudo em sismologia. O exemplo mais óbvio destas interações é o despoletar de réplicas que podem ocorrer após um sismo perto da fonte. Pensa-se que estas réplicas são despoletadas pela tensão estática que deforma o solo até uma distância de um a dois comprimentos de falha. Outro tipo destas interações é o despoletar de sismicidade a grandes distâncias devido à tensão dinâmica imposta pela passagem das ondas sísmicas. Este fenómeno chamado de Dynamic Triggering (sismicidade despoletada pela tensão dinâmica) foi reportado pela primeira vez por Hill et al. [1993] que observaram um aumento na sismicidade no Oeste do Estados Unidos após o sismo de magnitude 7.3 de 28 de Junho de 1992 em Landers. O aumento da sismicidade verificou-se até mais de 1250 km e iniciou-se na sua maioria durante a passagem das ondas de superfície. Dynamic Triggering é atualmente um fenómeno bem documentado, mas os mecanismos para sua ocorrência não são ainda completamente percebidos, existindo vários modelos propostos. É também habitualmente aceite devido a várias observações que estruturas vulcânicas podem ser afetadas pela passagem de ondas sísmicas. Este fenómeno pode ser uma importante ferramenta para perceber os processos que despoletam o movimento de uma falha, a nucleação de sismos e medir as tensões necessárias para uma falha movimentar-se e assim aumentar o conhecimento da mecânica dos sismos e melhorar os estudos de risco sísmico. Novas observações do fenómeno em diferentes ambientes são por isso essenciais para perceber os mecanismos que levam ao dynamic triggering e em que condições o fenómeno ocorre. De forma a fortalecer a relação causal entre o aumento da sismicidade e a passagem das ondas sísmicas vários testes estatísticos podem ser utilizados, sendo o mais utilizado a estatística _ [Matthews and Reasenberg, 1988; Aron and Hardebeck, 2009]. O dynamic triggering foi amplamente observado em regimes vulcânicos e distensivos. Este trabalho tem como objetivo procurar evidências de sismicidade despoletada pelas tensões dinâmicas impostas pelas ondas de superfície (instantaneous dynamic triggering) em quatro regiões onde este fenómeno não foi anteriormente estudado detalhadamente: Arquipélago de Cabo Verde, Moçambique e na Dorsal Mesoatlântica no vulcão submarino Lucky Strike e no Arquipélago dos Açores. Estes são ambientes vulcânicos e de rifting (regime distensivo). Na região de Cabo Verde foram utilizados dados de duas redes sísmicas temporárias, uma composta por 7 estações de banda larga com três componentes instaladas entre 2002 e 2004 [Helffrich et al., 2010] e outra instalada entre 2007 e 2008 no âmbito do projeto CV-Plume composta por 40 estações de banda larga com três componentes [Vales et al., 2014]. A estes dados foram ainda adicionados os registos da estação SACV da rede sísmica global. Em Moçambique foram utilizados dados de uma rede temporária de 30 estações de banda larga com três componentes instalada no âmbito do projeto MOZART entre 2011 e 2013 [Fonseca et al., 2014]. No vulcão Lucky Strike foram utilizados dados OBS (Ocean Bottom Seismometer) obtidos no âmbito do projecto MOMAR [Crawford et al., 2013]. No Arquipélago dos Açores foram utilizados os dados das estações permanentes CMLA, da rede sísmica global, e ROSA, da
rede sísmica portuguesa, localizadas em São Miguel e São Jorge, respetivamente. Os eventos analisados foram escolhidos obtendo um catálogo de sismos do United States Geological Survey (USGS) com as seguintes características: magnitude ≥ 5.5, profundidade ≤ 100 km, distância epicentral ≥ 100 km e tensão dinâmica estimada ≥ 1 kPa para a onda de Rayleigh de 20 segundos. Em Cabo Verde foram ainda analisados eventos adicionais com magnitude ≥ 7, profundidade ≤ 100 km e distância epicentral ≥ 100 km. Para cada evento foram analisados os dados para as 6 horas antes e depois do tempo de origem do evento. Foi retirada a resposta instrumental aos dados e foram rodados para as componentes radial, transversal e vertical (nos dados de OBS esta rotação não foi feita). Os dados foram depois filtrados com um filtro passa-alto (>5 Hz), ou outro filtro no caso de existência de ruído local, e obtida a função envelope. Com a função envelope das três componentes foi calculada uma função envelope média das três componentes que foi utilizada na deteção dos sinais de alta frequência. A detecção de sinais de alta frequência e avaliação do seu aumento através da estatística β foram feitas utilizando um algoritmo de deteção automática STA/LTA (short-term average/long-term average) feito por Peng et al. [2014], baseado em Earle and Shearer [1994]. Foram utilizadas janelas STA e LTA de 2 e 10 segundos, respetivamente, para detetar sinais de alta frequência de curta duração e de 10 e 50 segundos, respetivamente, para detetar sinais de alta frequência de duração mais longa. Foi utilizada uma razão STA/LTA de 1.5 como threshold. β foi calculado comparando os sinais detetados na janela de triggering, entre a chegada das ondas com 5 e 2 km/s, com os sinais detetados antes da chegada da onda P. Valores de β ≥ 2 indicam um aumento estatisticamente significativo da atividade de alta frequência. Todos os
resultados foram depois inspecionados visualmente de forma a evitar falsos positivos. Foram analisados 52 eventos sísmicos diferentes e foram utilizados dados de 88 estações sísmicas diferentes em 4 áreas de estudo diferentes. Nas 4 áreas de estudo foram detetados 6 possíveis casos positivos de dynamic triggering. Foi detetado um caso positivo de triggering em Cabo Verde, 2 casos em Moçambique e 3 casos no Arquipélago dos Açores. A sismicidade detetada é na sua maioria emergente e os sinais não foram detetados em mais de duas estações. Não foi por isso possível determinar as fontes dos sinais observados. Na maioria dos dados de Cabo Verde é identificado um forte ruído cultural de alta frequência que pode estar a afetar os resultados. Apenas se detetou um resultado claro de aumento significativo em sinais de alta frequência na estação MLOS, na ilha do Fogo, durante a passagem das ondas sísmicas do sismo de 2002 de Denali, Mw7.9. Esta é uma estação que não apresenta o forte ruído cultural. Os sinais possivelmente despoletados pelo sismo estão numa banda de frequência também ocupada pelo ruído cultural observado nas outras estações. Outros dois casos onde foi identificado um aumento significativo generalizado nas ilhas noroeste e sudoeste durante a passagem das ondas de superfície ocorreram no período de aumento do ruído cultural. Uma análise mais aprofundada que permita determinar a origem dos sinais e distinguir os sinais despoletados pela tensão dinâmica do ruído cultural é necessária para melhor interpretar estes resultados. Em Moçambique foi observado um claro aumento da atividade de alta frequência em quatro estações durante a passagem das ondas de superfície do sismo de 6 de Fevereiro de 2013 das ilhas Salomão, Mw8.0. Estas quatro estações estavam na área das estruturas tectónicas ativas identificadas em Moçambique. Nenhum sinal coerente foi observado entre as quatro estações e não foi possível uma localização e ligar claramente o aumento da atividade de alta frequência às estruturas tectónicas. Foi ainda identificado um aumento significativo na atividade de alta frequência numa estação no Cratão do Kapvaal, zona onde não estão identificadas estruturas ativas, durante a passagem das ondas sísmicas do sismo de 16 de Abril de 2013 de Saravan, Mw7.7. Nenhuma evidência clara de dynamic triggering foi identificada no vulcão submarino Lucky Strike. Foram detetados problemas instrumentais nos dados que afetaram os resultados obtidos. Os dados do Arquipélago dos Açores mostram que na ilha de São Jorge não foi registado nenhum aumento significativo da atividade durante a passagem das ondas sísmicas de vários eventos. Em Chã de Macela, na ilha de São Miguel foram registados vários casos de aumento de atividade significativos. Os sinais detetados são emergentes e parecem ser tremor. As ondas sísmicas podem estar a ativar as estruturas vulcânicas na ilha. Estes resultados mostram que as regiões dos Açores, Cabo Verde e Moçambique são regiões onde podem ocorrer eventos despoletados pelas tensões dinâmicas impostas pelas ondas sísmicas (dynamic triggering). Os resultados também sugerem que a sismicidade triggered pelas ondas sísmicas não tão frequente e comum como proposto por estudos anteriores. Dados de estações mais protegidas de fontes de ruído cultural ou um método para melhor determinar quais os sinais do ruído cultural podiam melhorar as observações e a compreensão deste fenómeno nestas regiões. Nos Açores um estudo mais detalhado com dados de uma rede mais extensa e com maior cobertura ajudaria a confirmar as evidências detetadas na estação de Chã de Macela.
Earthquake-earthquake interactions are still important questions of study in earthquake seismology. One of the most obvious example of these interactions are the aftershock sequence that can occur in the aftermath of mainshocks near the source. Since observations of the seismicity rate increase in Western United States at distances up to more than 1250 km after the Landers (Mw7.3) earthquake in California, 1992 [Hill et al., 1993], widespread evidences for a new mode of interaction at remote distances has been recorded. This mode, called remote Dynamic Triggering, is now considered a robustly observed phenomenon. It is also widely recognized that volcanic structures can be affected by the passage of seismic waves from remote large earthquakes. The understanding of dynamic earthquake triggering could help improve the understanding of earthquake mechanics and therefore better assess seismic hazard by being a possible tool to study the processes that trigger slip on a fault, earthquake nucleation and to measure the stresses needed for a fault to fail. For this, a better understanding of the triggering mechanisms and the conditions for it to occur is necessary. More observations of the phenomenon could help address this questions. The objective of this study is to search for evidence of dynamic triggering in four regions not thoroughly searched before for this phenomenon: Cape Verde, Mozambique and in the Mid-Atlantic Ridge in the Lucky Strike volcano and the Azores archipelago. These are volcanic and rifting (extensive regime) settings where the majority of remote dynamic triggering observations have been made. Events studied were chosen with the following criteria: epicentral distance ≥ 100 km, depth ≤ 100 km and magnitude ≥ 5.5, with an estimated dynamic stress of the 20 second Rayleigh wave ≥ 1 kPa. For Cape Verde additional events with an epicentral distance ≥ 100 km, depth ≤ 100 km and a magnitude ≥ 7 were studied. With a STA/LTA automatic detection algorithm [Peng et al., 2014] we assessed the statistical significance of the increase of high-frequency seismic energy during the passage of surface waves using a β statistics [Aron and Hardebeck, 2009]. Β ≥ 2 indicates a statistically significant increase. All results were visually inspected to avoid false positives. A total of data from 52 different mainshocks was analyzed and data from 88 different seismic stations was used in this study in 4 different study regions. In the 4 regions of study 6 cases of possible positive dynamic triggering were detected. One positive case was detected in Cape Verde, 2 cases in Mozambique and 3 cases in Azores. The observed seismicity is in its majority emergent and signals were not detected in more than two stations. Determination of the sources of the observed signals was therefore not possible. In Cape Verde, a strong cultural noise with diurnal variation was identified. Only one clear case of significant increase in high-frequency seismic energy bursts was identified in the Fogo island in the Fogo volcano during the passage of the 2002 Mw7.9 Denali earthquake. The triggered signals identified in this case had frequencies in the same band of the cultural noise and so this noise could be masking triggered signals. Other two cases of increased high-frequency energy bursts with the passage of the seismic waves in the southwestern and northwestern islands were identified but these occurred in the period where the increase in cultural noise starts. In Mozambique, a clear significant increase in high-frequency signals was identified in four stations in the area of Mozambique identified active structures during the passage of the February 6th, 2013 Mw8.0 Solomon islands earthquake. No coherent signals between the four stations were identified. During the passage of the April 16th, 2013 Mw7.7 Saravan earthquake a significant increase was identified in a single station in the Kapvaal craton. No evidences of dynamic triggering were detected in the Lucky Strike volcano. Data had instrumental problems that afected the results. In Azores, no evidence of dynamic triggering was found in the island of São Jorge a known seismic gap. Chã de Macela in São Miguel appears to be a location of repeated triggering. Signals detected are emergent and appear to be tremor-like. The seismic waves could be activating the volcanic structures in the area. A study with network with better coverage of the archipelago would help to better understand these results. This results show that Azores, Cape Verde and Mozambique are areas where dynamic triggered seismic events may possibly occur. The results also suggest that dynamic triggering is not so frequent and common as proposed by previous studies, particularly in the regions of study. Data from stations deployed in locations better sheltered from cultural noise sources or a method to better constraint cultural noise signals would probably greatly improve the observations and he comprehension of the phenomenon in these regions.
Earthquake-earthquake interactions are still important questions of study in earthquake seismology. One of the most obvious example of these interactions are the aftershock sequence that can occur in the aftermath of mainshocks near the source. Since observations of the seismicity rate increase in Western United States at distances up to more than 1250 km after the Landers (Mw7.3) earthquake in California, 1992 [Hill et al., 1993], widespread evidences for a new mode of interaction at remote distances has been recorded. This mode, called remote Dynamic Triggering, is now considered a robustly observed phenomenon. It is also widely recognized that volcanic structures can be affected by the passage of seismic waves from remote large earthquakes. The understanding of dynamic earthquake triggering could help improve the understanding of earthquake mechanics and therefore better assess seismic hazard by being a possible tool to study the processes that trigger slip on a fault, earthquake nucleation and to measure the stresses needed for a fault to fail. For this, a better understanding of the triggering mechanisms and the conditions for it to occur is necessary. More observations of the phenomenon could help address this questions. The objective of this study is to search for evidence of dynamic triggering in four regions not thoroughly searched before for this phenomenon: Cape Verde, Mozambique and in the Mid-Atlantic Ridge in the Lucky Strike volcano and the Azores archipelago. These are volcanic and rifting (extensive regime) settings where the majority of remote dynamic triggering observations have been made. Events studied were chosen with the following criteria: epicentral distance ≥ 100 km, depth ≤ 100 km and magnitude ≥ 5.5, with an estimated dynamic stress of the 20 second Rayleigh wave ≥ 1 kPa. For Cape Verde additional events with an epicentral distance ≥ 100 km, depth ≤ 100 km and a magnitude ≥ 7 were studied. With a STA/LTA automatic detection algorithm [Peng et al., 2014] we assessed the statistical significance of the increase of high-frequency seismic energy during the passage of surface waves using a β statistics [Aron and Hardebeck, 2009]. Β ≥ 2 indicates a statistically significant increase. All results were visually inspected to avoid false positives. A total of data from 52 different mainshocks was analyzed and data from 88 different seismic stations was used in this study in 4 different study regions. In the 4 regions of study 6 cases of possible positive dynamic triggering were detected. One positive case was detected in Cape Verde, 2 cases in Mozambique and 3 cases in Azores. The observed seismicity is in its majority emergent and signals were not detected in more than two stations. Determination of the sources of the observed signals was therefore not possible. In Cape Verde, a strong cultural noise with diurnal variation was identified. Only one clear case of significant increase in high-frequency seismic energy bursts was identified in the Fogo island in the Fogo volcano during the passage of the 2002 Mw7.9 Denali earthquake. The triggered signals identified in this case had frequencies in the same band of the cultural noise and so this noise could be masking triggered signals. Other two cases of increased high-frequency energy bursts with the passage of the seismic waves in the southwestern and northwestern islands were identified but these occurred in the period where the increase in cultural noise starts. In Mozambique, a clear significant increase in high-frequency signals was identified in four stations in the area of Mozambique identified active structures during the passage of the February 6th, 2013 Mw8.0 Solomon islands earthquake. No coherent signals between the four stations were identified. During the passage of the April 16th, 2013 Mw7.7 Saravan earthquake a significant increase was identified in a single station in the Kapvaal craton. No evidences of dynamic triggering were detected in the Lucky Strike volcano. Data had instrumental problems that afected the results. In Azores, no evidence of dynamic triggering was found in the island of São Jorge a known seismic gap. Chã de Macela in São Miguel appears to be a location of repeated triggering. Signals detected are emergent and appear to be tremor-like. The seismic waves could be activating the volcanic structures in the area. A study with network with better coverage of the archipelago would help to better understand these results. This results show that Azores, Cape Verde and Mozambique are areas where dynamic triggered seismic events may possibly occur. The results also suggest that dynamic triggering is not so frequent and common as proposed by previous studies, particularly in the regions of study. Data from stations deployed in locations better sheltered from cultural noise sources or a method to better constraint cultural noise signals would probably greatly improve the observations and he comprehension of the phenomenon in these regions.
Descrição
Tese de mestrado em Ciências Geofísicas, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016
Palavras-chave
Dynamic triggering Ondas de superfície Estatística β Tremor Teses de mestrado - 2016