Time-dependent occurrence rates of large earthquakes in the Dead Sea fault zone and applications to probabilistic seismic hazard assessments

Zeitabhängige Auftretensrate großer Erdbeben entlang der Tote-Meer-Störungszone und ihre Einbeziehung in eine probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung

  • The seismicity of the Dead Sea fault zone (DSFZ) during the last two millennia is characterized by a number of damaging and partly devastating earthquakes. These events pose a considerable seismic hazard and seismic risk to Syria, Lebanon, Palestine, Jordan, and Israel. The occurrence rates for large earthquakes along the DSFZ show indications to temporal changes in the long-term view. The aim of this thesis is to find out, if the occurrence rates of large earthquakes (Mw ≥ 6) in different parts of the DSFZ are time-dependent and how. The results are applied to probabilistic seismic hazard assessments (PSHA) in the DSFZ and neighboring areas. Therefore, four time-dependent statistical models (distributions), including Weibull, Gamma, Lognormal and Brownian Passage Time (BPT), are applied beside the exponential distribution (Poisson process) as the classical time-independent model. In order to make sure, if the earthquake occurrence rate follows a unimodal or a multimodal form, a nonparametric bootstrap test of multimodality has beenThe seismicity of the Dead Sea fault zone (DSFZ) during the last two millennia is characterized by a number of damaging and partly devastating earthquakes. These events pose a considerable seismic hazard and seismic risk to Syria, Lebanon, Palestine, Jordan, and Israel. The occurrence rates for large earthquakes along the DSFZ show indications to temporal changes in the long-term view. The aim of this thesis is to find out, if the occurrence rates of large earthquakes (Mw ≥ 6) in different parts of the DSFZ are time-dependent and how. The results are applied to probabilistic seismic hazard assessments (PSHA) in the DSFZ and neighboring areas. Therefore, four time-dependent statistical models (distributions), including Weibull, Gamma, Lognormal and Brownian Passage Time (BPT), are applied beside the exponential distribution (Poisson process) as the classical time-independent model. In order to make sure, if the earthquake occurrence rate follows a unimodal or a multimodal form, a nonparametric bootstrap test of multimodality has been done. A modified method of weighted Maximum Likelihood Estimation (MLE) is applied to estimate the parameters of the models. For the multimodal cases, an Expectation Maximization (EM) method is used in addition to the MLE method. The selection of the best model is done by two methods; the Bayesian Information Criterion (BIC) as well as a modified Kolmogorov-Smirnov goodness-of-fit test. Finally, the confidence intervals of the estimated parameters corresponding to the candidate models are calculated, using the bootstrap confidence sets. In this thesis, earthquakes with Mw ≥ 6 along the DSFZ, with a width of about 20 km and inside 29.5° ≤ latitude ≤ 37° are considered as the dataset. The completeness of this dataset is calculated since 300 A.D. The DSFZ has been divided into three sub zones; the southern, the central and the northern sub zone respectively. The central and the northern sub zones have been investigated but not the southern sub zone, because of the lack of sufficient data. The results of the thesis for the central part of the DSFZ show that the earthquake occurrence rate does not significantly pursue a multimodal form. There is also no considerable difference between the time-dependent and time-independent models. Since the time-independent model is easier to interpret, the earthquake occurrence rate in this sub zone has been estimated under the exponential distribution assumption (Poisson process) and will be considered as time-independent with the amount of 9.72 * 10-3 events/year. The northern part of the DSFZ is a special case, where the last earthquake has occurred in 1872 (about 137 years ago). However, the mean recurrence time of Mw ≥ 6 events in this area is about 51 years. Moreover, about 96 percent of the observed earthquake inter-event times (the time between two successive earthquakes) in the dataset regarding to this sub zone are smaller than 137 years. Therefore, it is a zone with an overdue earthquake. The results for this sub zone verify that the earthquake occurrence rate is strongly time-dependent, especially shortly after an earthquake occurrence. A bimodal Weibull-Weibull model has been selected as the best fit for this sub zone. The earthquake occurrence rate, corresponding to the selected model, is a smooth function of time and reveals two clusters within the time after an earthquake occurrence. The first cluster begins right after an earthquake occurrence, lasts about 80 years, and is explicitly time-dependent. The occurrence rate, regarding to this cluster, is considerably lower right after an earthquake occurrence, increases strongly during the following ten years and reaches its maximum about 0.024 events/year, then decreases over the next 70 years to its minimum about 0.0145 events/year. The second cluster begins 80 years after an earthquake occurrence and lasts until the next earthquake occurs. The earthquake occurrence rate, corresponding to this cluster, increases extremely slowly, such as it can be considered as an almost constant rate about 0.015 events/year. The results are applied to calculate the time-dependent PSHA in the northern part of the DSFZ and neighbouring areas.show moreshow less
  • Die relativ hohe seismische Aktivität der Tote-Meer-Störungszone (Dead Sea Fault Zone - DSFZ) ist mit einem hohen Gefahrenpotential verbunden, welches zu einem erheblichen Erdbebenrisiko für die Ballungszentren in den Ländern Syrien, Libanon, Palästina, Jordanien und Israel führt. Eine Vielzahl massiver, zerstörerischer Erdbeben hat sich in diesem Raum in den letzten zwei Jahrtausenden ereignet. Ihre Wiederholungsrate zeigt Anzeichen für eine zeitliche Abhängigkeit, insbesondere wenn lange Zeiträume in Betracht gezogen werden. Die Berücksichtigung der zeitlichen Abhängigkeit des Auftretens von Erdbeben ist für eine realistische seismische Gefährdungseinschätzung von großer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anhand des zeitabhängigen Auftretens von Erdbeben eine robuste wahrscheinlichkeitstheoretische seismische Gefährdungseinschätzung am Beispiel der DSFZ zu entwickeln. Mittels dieser Methode soll die zeitliche Abhängigkeit des Auftretens von großen Erdbeben (Mw ≥ 6) untersucht und somit eine Gefährdungseinschätzung fürDie relativ hohe seismische Aktivität der Tote-Meer-Störungszone (Dead Sea Fault Zone - DSFZ) ist mit einem hohen Gefahrenpotential verbunden, welches zu einem erheblichen Erdbebenrisiko für die Ballungszentren in den Ländern Syrien, Libanon, Palästina, Jordanien und Israel führt. Eine Vielzahl massiver, zerstörerischer Erdbeben hat sich in diesem Raum in den letzten zwei Jahrtausenden ereignet. Ihre Wiederholungsrate zeigt Anzeichen für eine zeitliche Abhängigkeit, insbesondere wenn lange Zeiträume in Betracht gezogen werden. Die Berücksichtigung der zeitlichen Abhängigkeit des Auftretens von Erdbeben ist für eine realistische seismische Gefährdungseinschätzung von großer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anhand des zeitabhängigen Auftretens von Erdbeben eine robuste wahrscheinlichkeitstheoretische seismische Gefährdungseinschätzung am Beispiel der DSFZ zu entwickeln. Mittels dieser Methode soll die zeitliche Abhängigkeit des Auftretens von großen Erdbeben (Mw ≥ 6) untersucht und somit eine Gefährdungseinschätzung für das Untersuchungsgebiet getroffen werden. Primär gilt es zu prüfen, ob das Auftreten von großen Erdbeben tatsächlich einer zeitlichen Abhängigkeit unterliegt und wenn ja, inwiefern diese bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck werden insgesamt vier zeitabhängige statistische Verteilungen (Weibull, Gamma, Lognormal und Brownian Passage Time (BPT)) sowie die zeitunabhängige Exponentialverteilung (Poisson-Prozess) getestet. Zur Abschätzung der jeweiligen Modellparameter wird eine modifizierte Methode der gewichteten Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE) verwendet. Um einzuschätzen, ob die Wiederholungsrate von Erdbeben einer unimodalen oder multimodalen Form folgt, wird ein nichtparametrischer Bootstrap-Test für Multimodalität durchgeführt. Im Falle einer multimodalen Form wird neben der MLE zusätzlich eine Erwartungsmaximierungsmethode (EM) herangezogen. Zur Auswahl des am besten geeigneten Modells wird zum einem das Bayesschen Informationskriterium (BIC) und zum anderen der modifizierte Kolmogorow-Smirnow-Goodness-of-Fit-Test angewendet. Abschließend werden mittels der Bootstrap-Methode die Konfidenzintervalle der geschätzten Parameter berechnet. Als Datengrundlage werden Erdbeben mit Mw ≥ 6 seit dem Jahre 300 n. Chr. herangezogen. Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich von 29.5° N bis 37° N und umfasst ein ca. 40 km breites Gebiet entlang der DSFZ. Aufgrund der seismotektonischen Situation im Untersuchungsgebiet wird zwischen einer südlichen, zentralen und nördlichen Subzone unterschieden. Dabei kann die südliche Subzone aus Mangel an Daten nicht für die Analysen herangezogen werden. Die Ergebnisse für die zentrale Subzone zeigen keinen signifikanten multimodalen Verlauf der Wiederholungsrate von Erdbeben. Des Weiteren ist kein signifikanter Unterschied zwischen den zeitabhängigen und dem zeitunabhängigem Modell zu verzeichnen. Da das zeitunabhängige Modell vergleichsweise einfach interpretierbar ist, wird die Wiederholungsrate von Erdbeben in dieser Subzone unter Annahme der Exponentialverteilungs-Hypothese abgeschätzt. Sie wird demnach als zeitunabhängig betrachtet und beträgt 9.72 * 10-3 Erdbeben (mit Mw ≥ 6) pro Jahr. Einen besonderen Fall stellt die nördliche Subzone dar. In diesem Gebiet tritt im Durchschnitt alle 51 Jahre ein massives Erdbeben (Mw ≥ 6) auf. Das letzte Erdbeben dieser Größe ereignete sich 1872 und liegt somit bereits 137 Jahre zurück. Somit ist in diesem Gebiet ein Erdbeben dieser Stärke überfällig. Im statistischen Mittel liegt die Zeit zwischen zwei Erdbeben zu 96% unter 137 Jahren. Zudem wird eine deutliche zeitliche Abhängigkeit der Erdbeben-Wiederauftretensrate durch die Ergebnisse der in der Arbeit neu entwickelten statistischen Verfahren bestätigt. Dabei ist festzustellen, dass die Wiederholungsrate insbesondere kurz nach einem Erdbeben eine sehr hohe zeitliche Abhängigkeit aufweist. Am besten repräsentiert werden die seismischen Bedingungen in der genannten Subzone durch ein bi-modales Weibull-Weibull-Modell. Die Wiederholungsrate ist eine glatte Zeitfunktion, welche zwei Häufungen von Datenpunkten in der Zeit nach dem Erdbeben zeigt. Dabei umfasst die erste Häufung einen Zeitraum von 80 Jahren, ausgehend vom Zeitpunkt des jeweiligen Bebens. Innerhalb dieser Zeitspanne ist die Wiederholungsrate extrem zeitabhängig. Die Wiederholungsrate direkt nach einem Beben ist sehr niedrig und steigert sich in den folgenden 10 Jahren erheblich bis zu einem Maximum von 0.024 Erdbeben/Jahr. Anschließend sinkt die Rate und erreicht ihr Minimum nach weiteren 70 Jahren mit 0.0145 Erdbeben/Jahr. An dieses Minimum schließt sich die zweite Häufung von Daten an, dessen Dauer abhängig von der Erdbebenwiederholungszeit ist. Innerhalb dieses Zeitfensters nimmt die Erdbeben-Wiederauftretensrate annähernd konstant um 0.015 Erdbeben/Jahr zu. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine zeitabhängige probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung (PSHA) für die seismische Quellregion, die den nördlichen Raum der DSFZ umfasst.show moreshow less

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Metadaten
Author:Amir Hossein Hakimhashemi
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-52486
Advisor:Michael H. Weber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2010/06/29
Release Date:2011/05/19
Tag:Auftretensrate; Erdbeben; Tote Meer; Zeitanhängig; seismische Gefährdung
Dead Sea; earthquake; occurrence rate; seismic hazard; time dependent
RVK - Regensburg Classification:UT 2500
RVK - Regensburg Classification:TI 03200
RVK - Regensburg Classification:TP 6500
RVK - Regensburg Classification:TP 06500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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