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Seismotectonic study of the Fergana region (Southern Kyrgyzstan): distribution and kinematics of local seismicity
We present new seismicity and focal-mechanism data for the Fergana basin and surrounding mountain belts in western Kyrgyzstan from a temporary local seismic network. A total of 210 crustal earthquakes with hypocentral depths shallower than 25 km were observed during a 12-month period in 2009/2010. The hypocenter distribution indicates a complex net of seismically active structures. The seismicity derived in this study is mainly concentrated at the edges of the Fergana basin, whereas the observed rate of seismicity within the basin is low. The seismicity at the dominant tectonic feature of the region, the Talas-Fergana fault, is likewise low, so the fault seems to be inactive or locked. To estimate the uncertainties of earthquake locations derived in this study, a strong explosion with known origin time and location is used as a ground truth calibration event which suggests a horizontal and vertical accuracy of about 1 km for our relocations. We derived 35 focal mechanisms using first motion polarities and retrieved a set of nine moment tensor solutions for earthquakes with moment magnitude (Mw) ranging from 3.3 to 4.9 by waveform inversion. The solutions reveal both thrust and strike-slip mechanisms compatible with a NW-SE direction of compression for the Fergana region. Two previously unknown tectonic structures in the Fergana region could be identified, both featuring strike-slip kinematics. The combined analysis of the results derived in this study allowed a detailed insight into the currently active tectonic structures and their kinematics where little information had previously been available
Zeitliche und räumliche Variationen des lokalen Spannungsfeldes der Nord Anatolischen Verwerfung im NW der Türkei analysiert anhand mikroseismischer Aufzeichnungen
Variations of the local stress field might serve as an indicator to
characterize the physical status of individual fault segments during the
seismic cycle. In this study spatial and temporal variation of the crustal
stress field orientations along the North Anatolian Fault Zone (NAFZ) in
northwestern Turkey are investigated. The NAFZ is one of the largest currently
active strike-slip fault in the world. In 1996 a permanent seismic network,
the SApanca BOlu NETwork (SABONET) was deployed to investigate the seismic
activity at the Karadere- and Düzce Fault. This region represents the eastern
end of a westward migrating earthquake sequence starting in 1939 in eastern
Turkey. In 1999 the two most recent major earthquakes, the Izmit- and Düzce
events, occurred. In this study a compilation of 939 focal mechanisms and the
dataset of more than 10000 well located local earthquakes from the SABONET and
German Task Force (GTF) network covering the time period 1997-2001 are
processed and analysed. Covering the pre-seismic, inter Izmit- Düzce and post-
seismic phase of the Izmit earthquake this dataset provides a fundamental data
base to search for systematic stress rotations related to major earthquakes at
a major transform fault. Different stress tensor inversion methods were
applied using focal mechanism data and first motion polarities as input to
study spatiotemporal changes of the stress field orientation along individual
fault segments of the 1999 Izmit and Düzce ruptures. Results indicate a stable
strike slip regime for the regional stress field prior to the Izmit earthquake
and following the two-month Izmit aftershock sequence. In contrast the early
aftershock period is dominated by EW-extension below the Akyazi Plain. During
the two-month aftershock period significant changes from strike-slip to
normal-faulting during the mainshock followed by a systematic back-rotation to
the pre-mainshock stress regime is found. This back rotation commences first
in the Akyazi Plain hosting a coseismic slip deficit of > 3 m and propagates
then further to the east towards the Karadere and Düzce fault where the Düzce
Mw7.1 mainshock nucleated 87 days later. The followed detailed analysis of the
lateral variations of the stress field within distinct smaller segments along
the fault confirms these observations and leads to suggestions regarding the
origin of the stress perturbations. Thereby, the stress field evolution of the
segments can be followed from the predominantly pre-seismic strike-slip regime
in the west, the inter Izmit-Düzce phase of the dominant E-W extensional
regime in the Akyazi plain to the nearly stable post-seismic strike-slip
regime along the Düzce and Elmalik faults. These observations and the
correlations with co- and postseismic slip confirm the suggestion that shear
failure and the associated drop in shear stress during large earthquakes may
result in a rotation of the principal stresses. Finally, these observations
are used to investigate local depth distribution and kinematics of seismicity
along the fault and the determination of possibly locked or creeping parts of
a fault. A clear correlation between along-fault variations of the depth-
distribution of aftershock activity and cumulative co- and postseismic slip
below the seismogenic layer is observed. In addition, local shallow
earthquakes below the Düzce fault are analysed and give new insights into the
evolution of this part of the rupture. The results from this study reveal that
spatiotemporal stress field rotations are a useful indicator for variations of
the seismotectonic setting during the seismic cycle.Variationen des lokalen Spannungsfeldes können als Indikator dienen, um den
physikalischen Zustand einzelner Segmente einer Verwerfungszone während des
seismischen Zyklus zu charakterisieren. In dieser Studie werden räumliche und
zeitliche Veränderungen des Spannungsfeldes der Erdkruste entlang der
Nordanatolischen Verwerfungszone (NAFZ) im Nordwesten der Türkei untersucht.
Die NAFZ ist eine der größten derzeit aktiven Transformstörungen der Welt. Im
Jahr 1996 wurde ein permanentes seismisches Netzwerk, das SApanca BOlu
NETzwerk (SABONET) in Betrieb genommen, um die seismische Aktivität entlang
der Karadere und Düzce Verwerfung zu untersuchen. Diese Region stellt das
östliche Ende einer seit 1939 nach Westen wandernden Erdbeben-Sequenz im Osten
der Türkei dar. Zwei starke Erdbeben im August und November des Jahres 1999,
das Izmit und Düzce Erdbeben, stellen die jüngsten Erdbeben dieser Sequenz
dar. Grundlage dieser Studie bildet ein zusammengestellter Katalog aus 939
Herdflächenlösungen und seismische Daten von mehr als 10000 lokalsierten
Erdbeben des SABO-Netzwerkes und German Task Force (GTF) Netzwerkes für die
Jahre 1997-2001 welche prozessiert und analysiert wurden. Dieser Datensatz
bietet eine umfassende Datenbasis für die Zeiträume vor (Pre-seismic),
zwischen (Inter Izmit-Düzce) und nach (Post-seismic) den Izmit und Düzce
Erdbeben und stellt damit eine einzigartige Möglichkeit dar, systematische
raumzeitliche Änderungen des Spannungsfeldes im Zusammenhang mit groÿen
Erdbeben entlang von Verwerfungszonen zu untersuchen. Verschiedene
Spannungstensor-Inversionsverfahren basierend auf der Inversion von
Herdflächenlösungen und Polaritäten von Ersteinsätzen werden verwendet, um
räumliche, sowie zeitliche Veränderungen des Spannungsfeldes entlang einzelner
Segmente des 1999 Izmit Bruches zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen ein
stabiles Blattverschiebungs-Regime für das regionale Spannungsfeld vor dem
Izmit Erdbeben und für den Zeitraum nach dem Düzce Erdbeben. Im Gegensatz
dazu, ist die Inter Izmit-Düzce Phase geprägt durch Nachbeben mit
Abschiebungsmechanismen. Diese werden durch die andauernde Ost-West-Extension
in der Akyazi Ebene hervorgerufen. Innerhalb der frühen zweimonatigen
Nachbebenfrequenz des Izmitbebens lässt sich zum ersten Mal die signifikante
Änderung von dem Blattverschiebungs-Regime zum Abschiebungs-Regime, gefolgt
von einer langsamen Rückrotation des Spannungsfeldes in den ursprünglichen
Zustand des Blattverschiebungs-Regime, beobachten. Diese Rückrotation beginnt
zunächst in der Akyazi Ebene, welche durch ein Defizit in der Co-seismischen
relativen Verschiebung (coseismic slip) von > 3 m geprägt ist und propagiert
dann weiter nach Osten in Richtung der Karadere und Düzce Verwerfungszone.
Dort fand die Nukleation des Düzce MW 7,1 Erdbeben 87 Tage nach dem Izmitbeben
statt. Anhand der detaillierten Untersuchung der lateralen Veränderungen des
Spannungsfeldes, innerhalb verschiedener kleinerer Segmente entlang der
Verwerfung, lassen sich diese Beobachtungen bestätigen und detailierte
Aussagen über den Ursprung treffen. Dabei kann die Entwicklung des
Spannungsfeldes von dem dominierten Pre-seismischen Blattverschiebungs-Regime
im Westen, dem Interseismischen E-W extensionalen Abschiebungs-Regime in der
Akyazi Ebene zu dem nahezu stabilen Post-seismischen Blattverschiebungs-Regime
entlang der Düzce und Elmalik Verwerfungen verfolgt werden. Diese
Beobachtungen und die Korrelationen mit Co- und Postseismischen relativen
Verschiebungen bestätigen die Annahme, dass Scherbrüche und der damit
verbundene Abbau der Scherspannung bei groÿen Erdbeben zu einer Drehung der
Hauptspannungachsen führen kann. Schließlich werden diese Beobachtungen mit
der Tiefenverteilung und der Kinematik der lokalen Seismizität entlang der
Verwerfung in Verbindung gebracht, anhand derer blockierte oder kriechende
Bereiche der Verwerfung erkannt werden. Dabei kann eine gute Übereinstimmung
von Post-seismischen Deformationen in der Tiefe mit oberflächennahen
aseismischen Bereichen beobachtet werden. Desweiteren werden lokal auftretende
Flachbeben entlang der Düzce Verwerfung analysiert, welche neue Einblicke in
die Entwicklung dieses Bereiches der NAFZ geben. Die Ergebnisse dieser Studie
zeigen, dass räumliche und zeitliche Rotationen des Spannungsfeldes ein
nutzbarer Indikator für Veränderungen der seismotektonischen Bedingungen
während des seismischen Zyklus sind