Variations in the slope of the earthquakes recurrence curve in the tonga subduction zone in 2005–2022

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The Tonga‒Kermadec subduction zone is located between the Pacific and Australian plates and is the site of the highest rates of Pacific plate subduction and dominant extension. In 2006 and 2009 in this region, two strong earthquakes occurred with magnitudes Mw = 8.0 and 8.1. There are about 170 islands in the Tonga region. They are volcanic centers that have erupted regularly over the past few decades. The paper presents the results of determining temporal variations in the slope of the earthquakes recurrence curve (b-value) in the Tonga subduction zone for 2005–2022 and variations in b depending on depth. Temporal variations in the b-value reflect the general tendency for the most powerful earthquakes to occur against the background of a decrease in b-value only in the surface layer at depths of 0–100 km. By comparing the variation of b-value with depth with a tectonic model of the Tonga subduction zone, it suggested that lower b-value might reflect greater stress at the top of the subducted slab due to its bending. Elevated b-value can apparently be associated with stretching mechanisms. For the Tonga subduction zone, as for other subduction zones, the increased b-value identified at a depth of 90‒100 km, which may be due to the presence at this depth of a magmatic front, which is associated with active volcanism.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Shakirova

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: shaki@emsd.ru
Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatsky

V. A. Saltykov

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences

Email: shaki@emsd.ru
Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatsky

References

  1. Васильев В.И. Дегидратация субдуцируемой коры как индикатор плавления (по результатам численного физико-химического моделирования) // Тезисы докладов XI Всероссийского петрографического совещания с международным участием “Магматизм и метаморфизм в истории земли”, 24–28 августа 2010 г. Екатеринбург: ИГиГ УрО РАН, 2010. Т. 1. С. 100–101.
  2. Гусев А.А., Мельникова В.Н. Связи между магнитудами – среднемировые и для Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1990. № 6. С. 55–63.
  3. Завьялов А.Д. Наклоны графика повторяемости как предвестник сильных землетрясений на Камчатке // Прогноз землетрясений. Душанбе, М.: Дониш, 1984. Вып. 5. С. 1٧3–184.
  4. Коновалова А.А., Салтыков В.А. Различия в наклоне графика повторяемости независимых землетрясений и афтершоковых последовательностей // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. № 1. Вып. 11. С. 74–81.
  5. Куллдорф Г. Введение в теорию оценивания. М.: Физматлит, 1966. 176 с.
  6. Моги К. Предсказание землетрясений / Перевод с англ. М.: Мир, 1988. 382 с.
  7. Павленко В.А., Завьялов А.Д. Сравнительный анализ методов оценки магнитуды представительной регистрации землетрясений // Тезисы докладов II Всероссийской конференции с международным участием “Современные методы оценки сейсмической опасности и прогноза землетрясений”. М.: ИТПЗ РАН, 2021. С. 82–83.
  8. Писаренко В.Ф. О законе повторяемости землетрясений // Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука, 1989. С. 47–60.
  9. Потанина М.Г., Смирнов В.Б., Бернар П. Особенности развития сейсмической роевой активности в коринфском рифте в 2000–2005 гг. // Физика Земли. 2011. № 7. С. 54–66.
  10. Ребецкий Ю.Л. Поле глобальных коровых напряжений Земли // Геотектоника. 2020. № 6. С. 3–24. https://doi.org/10.31857/S0016853X20060119
  11. Салтыков В.А. О возможных проблемах оценки пространственно-временных особенностей представительности каталога землетрясений (на примере Камчатского каталога Единой Геофизической службы РАН) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2019. № 3. С. 66–74. https://doi.org/10.31431/1816-5524-2019-3-43-66-74
  12. Смирнов В.Б. Прогностические аномалии сейсмического режима. Методические основы подготовки исходных данных // Геофизические исследования. 2009. Т. 10. № 2. С. 7–22.
  13. Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Физика переходных режимов сейсмичности / Под ред. В.Б. Смирнова, А.В. Пономарева. М.: РАН, 2020. 412 с.
  14. Abers G.A., Keken P., Wilson C.R. Deep decoupling in subduction zones: Observations and temperature limits // Geosphere. 2020. V. 16. P. 1408–1424. https://doi.org/10.1130/GES02278.1
  15. Amelung F., King G. Earthquake scaling laws for creeping and non-creeping faults // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. Iss. 5. P. 507–510. https://doi.org/10.1029/97GL00287
  16. Bevis M., Taylor F.W., Schutz B.E. et al. Geodetic observations of very rapid convergence and back-arc extension at the Tonga arc // Nature. 1995. V. 374. P. 249–251.
  17. Bonnardot M.A., Régnier M., Ruellan E. et al. Seismicity and state of stress within the overriding plate of the Tonga‐Kermadec subduction zone // Tectonics. 2007. V. 26. № 5. P. 1–15. https://doi.org/10.1029/2006TC002044
  18. Bonnardot M.A., Régnier M., Christova C. et al. Seismological evidence for a slab detachment in the Tonga subduction zone // Tectonophysics. 2009. V. 464. № 1–4. P. 84–99. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2008.10.011
  19. Calderoni G., Rovelli A., Giovambattista R.D. Stress Drop, Apparent Stress, and Radiation Efficiency of Clustered Earthquakes in the Nucleation Volume of the 6 April 2009, Mw 6.1 L›Aquila Earthquake // J. of Geophys. Res. Solid Earth. 2019. V. 124. Iss. 10. P. 10360–10375. https://doi.org/10.1029/2019JB017513
  20. El-Isa Z.H. Continuous-cyclic variations in the b-value of the earthquake frequency-magnitude distribution // Earthquake Science. 2013. V. 26. P. 301–320. https://doi.org/10.1007/s11589-013-0037-9
  21. El-Isa Z.H., Eaton D.W. Spatiotemporal variations in the b-value of earthquake magnitude–frequency distributions: Classification and causes // Tectonophysics. 2014. V. 615–616. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2013.12.001
  22. Enescu B., Enescu D., Ito K. Values of b and p: their variations and relation to physical processes for earthquakes in Japan and Romania // Rom. Journal Phys. 2011. V. 56. № 3–4. P. 590–608.
  23. Gerstenberger M., Wiemer S., Giardini D. A systematic test of the hypothesis that the b value varies with depth in California // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28(1). P. 57–60.
  24. Gutenberg B., Richter C.F. Frequency of Earthquakes in California // Bull. Seismol. Soc. of Am. 1944. V. 34. P. 185–188.
  25. Herrmann M., Piegari E., Marzocchi W. Revealing the spatiotemporal complexity of the magnitude distribution and b-value during an earthquake sequence // Nature Communications. 2022. V. 13. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32755-6
  26. Kulhanek O. Prague Centre of Mathematical Geophysics, Meteorology and their Applications // Seminar on b-value. Seminar paper. Prague, Czech: Department of Geophysics, Charles University, 2005.
  27. Kulhanek O., Persson L., Nuannin P. Variations of b-values preceding large earthquakes in the shallow subduction zones of Cocos and Nazca plates // J. of South American Earth Sciences. 2018. V. 82. P. 207–214. https://doi.org/10.1016/j.jsames.2018.01.005
  28. Kusky T.M. Déjà vu: Might Future Eruptions of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcano be a Repeat of the Devastating Eruption of Santorini, Greece (1650 BC)? // J. of Earth Science. 2022. Pre-print. https://doi.org/10.1007/s12583-022-1624-2
  29. Legrand D., Tassara A., Morales D. Megathrust asperities and clusters of slab dehydration identified by spatiotemporal characterization of seismicity below the Andean margin // Geophysical Journal International. 2012. V. 191(3). P. 23–931. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2012.05682.x
  30. Li Y., Chen X. Variations in Apparent Stress and b Value Preceding the 2010 Mw 8.8 Bio-Bío, Chile Earthquake // Pure and Applied Geophysics. 2021. V. 178. P. 4797–4813.
  31. Li Y., Chen X., Chen L. Joint analysis of b-value and apparent stress before the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki, Japan earthquake // Earthquake Science. 2021. V. 34. Iss. 4. P. 232–333. https://doi.org/10.29382/eqs-2021-0036
  32. Lin J., Sibueti J., Lee C. et al. Special variations in the frequency–magnitude distribution of earthquakes in the southwestern Okinawa trough // Earth Planet. Space. 2007. V. 59. P. 221–225.
  33. Lin J.-Y., Sibuet J.-C., Hsu S.-K. Variations of b-values at the western edge of the Ryukyu Subduction Zone, north-east Taiwan // Terra Nova. 2008. V. 20. P. 150–153. https://doi.org/10.1111/j.1365-3121.2008.00801.x
  34. Marzocchi W., Spassiani I., Stallone A., Taroni M. How to be fooled searching for significant variations of the b-value // Geophysical Journal International. 2020. V. 220(3). P. 1845–1856. https://doi.org/10.1093/gji/ggz541
  35. Mignan A., Woessner J. Estimating the magnitude of completeness for earthquake catalogs // Community Online Resource for Statistical Seismicity Analysis. 2012. https://doi.org/10.5078/corssa-00180805
  36. Millen D.W., Hamburger M.W. Seismological evidence for tearing of the Pacific plate at the northern termination of the Tonga subduction zone // Geology. 1998. V. 26(7). P. 659–662. https://doi.org/10.1130/0091-7613
  37. MoralesYáñez C., Bustamante L., Benavente R. et al. Bvalue variations in the Central Chile seismic gap assessed by a Bayesian transdimensional approach // Scientific Reports. 2022. 12: 21٧10. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41598-022-25338-4
  38. Nassir S., Al-Humidan S., Lashin A. Duration magnitude calibration of Kuwait national seismic network // Scientific Research and Essays. 2012. V. 7(4). P. 453–459. https://doi.org/10.5897/SRE11.1096
  39. Newhall C.G., Self S. The volcanic explosivity index (VEI) an estimate of explosive magnitude for historical volcanism // J. of Geophys. Res.: Oceans. 1982. V. 87. № C2. P. 1231–1238. https://doi.org/10.1029/JC087iC02p01231
  40. Nuannin P. The potential of b-value variations as Earthquake precursors for small and large events / PhD thesis, Uppsala University. 2006. P. 1–48.
  41. Penisoni M., Suetsugu D., Hara T. Determination of focal mechanism of the Tonga Fiji earthquakes with a sparse regional seismic network // Synopsis of IISEE-GRIPS Master’s Thesis. 2021.
  42. Popescu E., Grecu B., Popa M. et al. Seismic source properties: indications of lithosphere irregular structure on depth beneath Vrancea region // Rom. Rep. Phys. 2003. V. 55(3). P. 303–321.
  43. Reasenberg P. Second-order moment of central California seismicity 1969–1982 // J. of Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 3–18.
  44. Rodríguez-Pérez Q., Zuñiga F.R. Imaging b-value depth variations within the Cocos and Rivera plates at the Mexican subduction zone // Tectonophysics. 2018. V. 734–735. P. 33–43. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2018.03.019
  45. Schorlemmer D., Neri G., Wiemer S., Mostaccio A. Stability andsignificance tests forbvalue anomalies: Example from the Tyrrhenian Sea // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30(16). P. 1–4. https://doi.org/10.1029/2003GL017335
  46. Scordilis E.M. Empirical global relations converting Ms and mb to moment magnitude // J. of Seismology. 2006. V. 10. P. 225–236. https://doi.org/10.1007/s10950-006-9012-4
  47. Stiphout V.T., Kissling E., Wiemer S., Ruppert N. Magmatic processes in the Alaska subduction zone by combined 3‐D b value imaging and targeted seismic tomography // J. of Geophys. Res.: Solid Earth. 2009. V. 114. № B11. P. 1–16. https://doi.org/10.1029/2008JB005958
  48. Tormann T. B-values as Stress Meters in the Earth’s Crust // Doctoral dissertation, Eidgenossische Technische Hochschule ETN. Nr. 19594. Zurich, 2011.
  49. Wiemer S., Benoit J.P. Mapping the b‐value anomaly at 100 km depth in the Alaska and New Zealand subduction zones // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. № 13. P. 1557–1560. https://doi.org/10.1029/96GL01233
  50. Wyss M., Shimazaki K., Wiemer S. Mapping active magma chambers by b values beneath the off–Ito volcano, Japan // J. of Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 20413–20422.
  51. Wyss M., Hasegawa A., Nakajima J. Source and path of magma for volcanoes in the subduction zone of northeastern Japan // Geophys. Res. Lett. 2001a. V. 28(9). P. 1819–1822. https://doi.org/10.1029/2000GL012558
  52. Wyss M., Wiemer S., Zuniga F.R. ZMAP a Tool for Analyses of Seismicity Patterns. Typical Applications and Uses: A Cookbook. 2001b. 64 p.
  53. Wyss M., Stefansson R. Nucleation points of recent main shocks in southern Iceland, mapped by b-values // Bull. Seismol. Soc. of Am. 2006. V. 96(2). 599 p.
  54. Zhu A., Xu X., Hu P. et al. Variation of b value with hypocentral depth in Beijing area: Implications for earthquake nucleation // Chinese Science Bulletin. 2005. V. 50. P. 691–695.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Subduction zones of tectonic plates.

Download (535KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution of Tonga subduction zone earthquakes by depth for 2005–2022.

Download (351KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Representativeness of the Mc earthquake catalog in 2005–2022 in sliding windows of width N = 50–400 representative earthquakes.

Download (123KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Distribution of b-value by depth for the Tonga subduction zone in the final catalogue for 2005–2022 (blue dots) and for depths of 10 and 35 km (orange dots).

Download (157KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Time variation of the slope of the recurrence graph (here the value b ≡ bmb), calculated in sliding windows of width N = 800, 400, 200 earthquakes; vertical stripes – the moment of occurrence of strong earthquakes with mb ≥6.5 (a). Time variation of the slope of the recurrence graph (the value b), calculated in sliding windows of different widths; vertical segments – the standard deviation of the value b; red horizontal line – the time interval within which the value b is constant (b–d).

Download (318KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Time course of the slope of the recurrence graph (b-value), calculated in sliding windows of width N = 200 earthquakes with an overlap of 20.

Download (320KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».