Non-Extensive statistical physics properties of seismic coda waves recorded during the Santorini unrest period 2011-2012

Η περίοδος της ηφαιστειακής κρίσης στο νησί της Σαντορίνης κατά τη περίοδο 2011- 2012, οδήγησε αρκετές επιστημονικές μελέτες να εγείρουν το κρίσιμο ερώτημα, εάν η σεισμικότητα της ευρύτερης περιοχής της καλντέρας, σχετίζεται με μια επικείμενη και πιθανή ηφαιστειακή έκρηξη ή αν εκφορτίζει τη συσσωρευμένη τεκτονική ενέργεια. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή, μελετήσαμε τα σεισμικά κύματα ουράς (Coda waves), από τα τοπικά σεισμικά γεγονότα πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την περίοδο της ηφαιστειακή και σεισμικής κρίσης της Σαντορίνης. Τα σεισμικά κύματα ουράς, οφείλουν την παρουσία τους σε φαινόμενα σκέδασης και στην πολυπλοκότητα της κατανομής των σκεδαστών του υπεδάφους, στις ανομοιογένειες του εσωτερικού της Γης, όπως είναι οι ρωγμές και η σχιστότητα των πετρωμάτων, τα ρήγματα, στα όρια μετάβασης υλικών διαφορετικής πυκνότητας, και στις πάσης φύσεως γεωφυσικές ανομοιογένειες ως προς τις ιδιότητες των υλικών στα ανώτερα στρώματα του φλοιού της Γης. Πιο συγκεκριμένα, λάβαμε υπόψη και τις τρεις συνιστώσες των σεισμολογικών σταθμών στο νησί της Σαντορίνης και εκτιμήσαμε τη διάρκεια των σεισμικών κυμάτων ουράς, εφαρμόζοντας μια διαδικασία πέντε επιπέδων, η οποία περιλαμβάνει την αναλογία σεισμικού σήματος προς θόρυβο (SNR), τη μέθοδο τύπου βραχέως μέσου χρόνου προς μακροπρόθεσμο μέσο χρόνο (STA/LTA) στο πεδίο του χρόνου αλλά και στο αναλυτικό σήμα, όπως αυτό προκύπτει από την εφαρμογή του μετασχηματισμού Hilbert, καθώς και τον μετασχηματισμό Fourier βραχέως χρόνου (STFT), εφαρμόζοντας παράθυρο Γκαουσιανής συνάρτησης (window function). Η τελική εκτίμηση της διάρκειας των κυμάτων ουράς, επαληθεύτηκε ή και επανεκτιμήθηκε αναλογικά από τον χρήστη, εξαιτίας της ύπαρξης ισχυρού σεισμικού θορύβου. Λόγω της πολυπλοκότητας των κυμάτων ουράς, για τη μελέτη του ηφαιστειακού συμπλέγματος της Σαντορίνης, εφαρμόσαμε την θεωρία της μη εκτατικής στατιστικής φυσικής (NESP). Η προσέγγιση NESP εκφράζει την γενίκευση της στατιστικής μηχανικής των Boltzmann-Gibbs και έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την ανάλυση πολύπλοκων συστημάτων, με εμφανή χαρακτηριστικά και ιδιότητες αλληλεπίδρασης μακράς εμβέλειας, μνήμης και μορφοκλασματικότητας. Η ανάλυση και τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής δείχνουν ότι οι διαφορές πλάτους των διαδοχικών σημείων των σεισμικών κυμάτων ουράς (στο πεδίο του χρόνου), αποκλίνουν από το στατιστικό πρότυπο τύπου Gauss, καθώς οι αντίστοιχες συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας (PDFs), μπορούν να περιγραφούν επαρκώς από κατανομές πιθανότητας που προκύπτουν από τον μη εκτατικό φορμαλισμό και πιο συγκεκριμένα από την κατανομή q-Gaussian. Επιπλέον, για να διερευνήσουμε τη δυναμική εξέλιξη της ηφαιστειακής-σεισμοτεκτονικής δραστηριότητας, εκτιμήσαμε τους εντροπικούς δείκτες σκέδασης qs όπως αυτοί προκύπτουν από την μη γραμμική ανάλυση των PDFs, παρουσιάζοντας τις μεταβολές τους ως συνάρτηση του χρόνου, του χώρου (χωροχρονική μεταβολή), του τοπικού μεγέθους (ML) καθώς και της επικεντρικής απόστασης (km) πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την περίοδο ηφαιστειακής κρίσης της καλντέρας, από το 2009 έως το 2014.The unrest period in Santorini's caldera during 2011-2012, led several studies to raise the important question of whether seismicity is associated with an impending and potential volcanic eruption or if it solely relieves the accumulated tectonic energy. In the present work, we study seismic coda waves, generated by local earthquake events prior, during and after the Santorini’s unrest period (volcanic and seismic crisis) that occurred within the caldera area. Coda waves are interpreted as scattered seismic waves generated by heterogeneities within the Earth, i.e. by faults, fractures, fissure structures, microcracks, velocity and/or density boundaries/anomalies, etc. In particular, we utilize all three components of the seismograms recorded by three seismological stations on the Santorini island and estimate the duration of the coda waves by implementing a five-step procedure that includes the signal-to-noise ratio, the STA/LTA like method, in time domain and upon analytic signal obtained after implementing Hilbert transformation, and the short time Fourier transform, using gaussian windowing as a window function. The final estimation was verified or re-estimated manually due to the existent ambient seismic noise. Because of the nature and the path complexity of the coda waves and towards achieving a unified framework for the study of the immerse geo-structural seismotectonic complexity of the Santorini volcanic complex, we use Non-Extensive Statistical Physics (NESP) to study the probability density functions (PDFs) of the increments of seismic coda waves. NESP, forms a generalization of the Boltzmann-Gibbs statistical mechanics that has been extensively used for the analysis of semi-chaotic systems that exhibit long-range interactions, memory effects and multi-fractality. The analysis and results demonstrate that the seismic coda waves increments, deviate from the Gaussian shape and their respective pdfs could adequately be described and processed by the q-Gaussian distribution. Furthermore and in order to investigate the dynamical evolution of the volcanic-tectonic activity, we estimate the qs indices derived from the PDFs of the coda wave time series increments, and present their variations as a function of time, of space (spaciotemporal variation), of local magnitude (ML) and epicentral distance (measured in km) prior, during and after the caldera unrest period from 2009 to 2014

Statistics and Pattern Recognition Applied to the Spatio-Temporal Properties of Seismicity

Due to the significant increase in the availability of new data in recent years, as a result of the expansion of available seismic stations, laboratory experiments, and the availability of increasingly reliable synthetic catalogs, considerable progress has been made in understanding the spatiotemporal properties of earthquakes. The study of the preparatory phase of earthquakes and the analysis of past seismicity has led to the formulation of seismicity models for the forecasting of future earthquakes or to the development of seismic hazard maps. The results are tested and validated by increasingly accurate statistical methods. A relevant part of the development of many models is the correct identification of seismicity clusters and scaling laws of background seismicity. In this collection, we present eight innovative papers that address all the above topics. The occurrence of strong earthquakes (mainshocks) is analyzed from different perspectives in this Special Issue

Tidal triggering of microseismicity at the equatorial mid‐Atlantic ridge, inferred from the PI‐LAB experiment

The gravitational pulls from the moon and the sun result in tidal forces which influence both Earth's solid and water mass. These stresses are periodically added to the tectonic ones and may become sufficient for initiating rupture in fault systems critically close to failure. Previous research indicates correlations between increased seismicity rates and low tides for fast- and intermediate-spreading mid-ocean ridges in the Pacific Ocean. Here, we present a microseismicity data set (4,719 events) recorded by an ocean bottom seismometer deployment at the equatorial Mid-Atlantic Ridge. We show that low, as well as decreasing ocean water level, result in relatively elevated seismicity rates at higher magnitudes (lower b-values), translated into increased probabilities of stronger event occurrence at or towards low tides. Moreover, seismic bursts (enhanced activity rate clusters), occurring at rates well above the reference seismicity, are exclusively present during values of either high tidally induced extensional stresses or high extensional stress rates. Although the b-value differences are not significant enough to be conclusive, the seismicity rate variations exhibit statistical significance, supporting the previous findings for tidal triggering at low tides within normal-faulting regimes and extending the range of observations to slow-spreading ridges. Observed triggering of slip on low angle faults at low tides is predicted by Coulomb stress modeling. The triggering of slip on high angle faults observed here, is not easily explained without another factor. It may be related to the presence of a shallow magma body beneath the ridge, as supported by previous seismic imaging in the region

25 Years of Self-Organized Criticality: Solar and Astrophysics

Shortly after the seminal paper {\sl "Self-Organized Criticality: An explanation of 1/f noise"} by Bak, Tang, and Wiesenfeld (1987), the idea has been applied to solar physics, in {\sl "Avalanches and the Distribution of Solar Flares"} by Lu and Hamilton (1991). In the following years, an inspiring cross-fertilization from complexity theory to solar and astrophysics took place, where the SOC concept was initially applied to solar flares, stellar flares, and magnetospheric substorms, and later extended to the radiation belt, the heliosphere, lunar craters, the asteroid belt, the Saturn ring, pulsar glitches, soft X-ray repeaters, blazars, black-hole objects, cosmic rays, and boson clouds. The application of SOC concepts has been performed by numerical cellular automaton simulations, by analytical calculations of statistical (powerlaw-like) distributions based on physical scaling laws, and by observational tests of theoretically predicted size distributions and waiting time distributions. Attempts have been undertaken to import physical models into the numerical SOC toy models, such as the discretization of magneto-hydrodynamics (MHD) processes. The novel applications stimulated also vigorous debates about the discrimination between SOC models, SOC-like, and non-SOC processes, such as phase transitions, turbulence, random-walk diffusion, percolation, branching processes, network theory, chaos theory, fractality, multi-scale, and other complexity phenomena. We review SOC studies from the last 25 years and highlight new trends, open questions, and future challenges, as discussed during two recent ISSI workshops on this theme.Comment: 139 pages, 28 figures, Review based on ISSI workshops "Self-Organized Criticality and Turbulence" (2012, 2013, Bern, Switzerland