Earthquake hazard potential in the Eastern Anatolian Region of Turkey: seismotectonic b and Dc-values and precursory quiescence Z-value

Abstract

The Eastern Anatolian Region of Turkey is one of the most seismically and tectonically active regions due to the frequent occurrence of earthquakes. Thus, the main goal of this study is to analyze the regional and temporal characteristics of seismicity in the Eastern Anatolia in terms of the seismotectonic b-value, fractal dimension Dc-value, precursory seismic quiescence Z-value, and their interrelationships. This study also seeks to obtain a reliable empirical relation between b and Dc-values and to evaluate the temporal changes of these parameters as they relate to the earthquake potential of the region. A more up-to-date relation of Dc=\mathrm{2.55}-\mathrm{0.39}*b is found with a very strong negative correlation coefficient (r=−0.95) by using the orthogonal regression method. The b-values less than 1.0 and the Dc-values greater than 2.2 are observed in the Northeast Anatolian Fault Zone, Aşkale, Erzurum, Iğdır and Çaldıran Faults, Doğubeyazıt Fault Zone, around the Genç Fault, the western part of the Bitlis-Zagros Thrust Zone, Pülümür and Karakoçan Faults, and the Sancak-Uzunpınar Fault Zone. In addition, the regions having small b-values and large Z-values are calculated around the Genç, Pülümür and Karakoçan Faults as well as the Sancak-Uzunpınar Fault Zone. Remarkably, the combinations of these seismotectonic parameters could reveal the earthquake hazard potential in the Eastern Anatolian Region of Turkey, thus creating an increased interest in these anomaly regions.

Keywords

Eastern Anatolia / b-value / fractal dimension / precursory seismic quiescence / earthquake hazard

References

[1] Aki K (1965). Maximum likelihood estimate of b in the formula  log⁡N =a−bMand its confidence limits. Bull Earthq Res Inst Univ Tokyo, 43: 237–239

[2] Aki K (1981). A probabilistic synthesis of precursory phenomena. In: Simpson D W, Richards P G, eds. Earthquake Prediction: An International Review. Maurice Ewing Series. AGU, Washington, DC, 4: 566–574

[3] Arabasz W J, Hill  S J (1996). Applying Reasenberg’s cluster analysis algorithm to regional earthquake catalogs outside California. Seismol Res Lett, 67(2): 30 (abstract)

[4] Barton D J, Foulger  G R, Henderson  J R, Julian  B R (1999). Frequency-magnitude statistics and spatial correlation dimensions of earthquakes at Long Valley Caldera, California. Geophys J Int, 138(2): 563–570

[5] Bayrak Y, Öztürk  S, Çınar H, Kalafat D,  Tsapanos T M,  Koravos G Ch,  Leventakis G A (2009). Estimating earthquake hazard parameters from instrumental data for different regions in and around Turkey. Eng Geol, 105(3–4): 200–210

[6] Bozkurt E (2001). Neotectonics of Turkey-a synthesis. Geodin Acta, 14(1–3): 3–30

[7] Carrol R J, Ruppert  D (1996). The use and misuse of orthogonal regression estimation in linear errors-in-variables models. Am Stat, 50: 1–6

[8] Chen C C, Wang  W C, Chang  Y F, Wu  Y M, Lee  Y H (2006). A correlation between the b-value and the fractal dimension from the aftershock sequence of the 1999 Chi-Chi, Taiwan, earthquake. Geophys J Int, 167(3): 1215–1219

[9] Console R, Montuori  C, Murru M (2000). Statistical assessment of seismicity patterns in Italy: are they precursors of subsequent events? J Seismol, 4(4): 435–449

[10] Enescu B, Ito  K (2002). Spatial analysis of the frequency-magnitude distribution and decay rate of aftershock activity of the 2000 Western Tottori earthquake. Earth Planets Space, 54(8): 847–859

[11] Erdik M, Alpay  B Y, Onur  T, Sesetyan K,  Birgoren G (1999). Assessment of earthquake hazard in Turkey and neighboring regions. Ann Geofis, 42: 1125–1138

[12] Frohlich C, Davis  S (1993). Teleseismic b-values: or, much ado about 1.0. J Geophys Res, 98(B1): 631–644

[13] Goltz C (1998). Fractal and chaotic properties of earthquakes (Lecture Notes in Earth Sciences, 77).  Springer-Verlag, 178 pp

[14] Grassberger P, Procaccia  I (1983). Measuring the strangeness of strange attractors. Physica, 9(D): 189–208

[15] Gutenberg R, Richter  C F (1944). Frequency of earthquakes in California. Bull Seismol Soc Am, 34: 185–188

[16] Hempton M R (1987). Constraints on Arabian plate motion and extensional history of the Red Sea. Tectonics, 6(6): 687–705

[17] Hirabayashi T, Ito  K, Yoshii T (1992). Multifractal analysis of earthquakes. Pure Appl Geophys, 138(4): 591–610

[18] Hirata T (1989a). Correlation between the b-value and the fractal dimension of earthquakes. J Geophys Res, 94(B6): 7507–7514

[19] Hirata T (1989b). Fractal dimension of fault systems in Japan: fractal structure in rock fracture geometry at various scales. Pure Appl Geophys, 131(1–2): 157–170

[20] Kagan Y Y (2007). Earthquake spatial distribution: the correlation dimension. Geophys J Int, 168(3): 1175–1194

[21] Katsumata K, Kasahara  M (1999). Precursory seismic quiescence before the 1994 Kurile Earthquake (Mw=8.3) revealed by three independent seismic catalogs. Pure Appl Geophys, 155(2–4): 443–470

[22] Kember G, Fowler  A C (1992). Random sampling and the Grassberger-Procaccia algorithm. Phys Lett A, 161(5): 429–432

[23] Mandelbrot B B (1982). The Fractal Geometry of Nature. San Francisco: Freeman Press

[24] Matcharashvili T, Chelidze  T, Javakhishvili Z (2000). Nonlinear analysis of magnitude and interevent time interval sequences for earthquakes of Caucasian region. Nonlinear Process Geophys, 7(1/2): 9–20

[25] Mogi K (1967). Earthquakes and fractures. Tectonophysics, 5(1): 35–55

[26] Mogi K (1969). Some features of recent seismic activity in and near Japan. 2. Activity before and after great earthquakes. Bull Earthq Res Inst Univ Tokyo, 47: 395–417

[27] Mori J, Abercrombie  R E (1997). Depth dependence of earthquake frequency-magnitude distribution in California: implications for the rupture initiation. J Geophys Res, 102(B7): 15081–15090

[28] Öncel A O,  Alptekin Ö,  Main I G (1995). Temporal variations of the fractal properties of seismicity in the western part of the North Anatolian fault zone: possible artifacts due to improvements in station coverage. Nonlinear Process Geophys, 2(3/4): 147–157

[29] Öncel A O,  Main I G,  Alptekin Ö,  Cowie P A (1996). Temporal variations of the fractal properties of seismicity in the north Anatolian fault zone between 31°E and 41°E. Pure Appl Geophys, 146: 148–159

[30] Öncel A O,  Wilson T H (2002). Space-time correlations of seismotectonic parameters and examples from Japan and Turkey preceding the İzmit earthquake. Bull Seismol Soc Am, 92(1): 339–349

[31] Öncel A O,  Wilson T H (2004). Correlation of seismotectonic variables and GPS strain- measurements in western Turkey. J Geophys Res, 109(B11): B11306

[32] Öncel A O,  Wilson T H (2007). Anomalous seismicity preceding the 1999 Izmit event, NW Turkey. Geophys J Int, 169(1): 259–270

[33] Ouillon G, Sornette  D, Castaing C (1995). Organisation of joints and faults from 1-cm to 100-km scales revealed by optimized anisotropic wavelet coefficient method and multifractal analysis. Nonlinear Process Geophys, 2(3/4): 158–177

[34] Öztürk S (2009). An application of the earthquake hazard and aftershock probability evaluation methods to Turkey earthquakes. Dissertation for PhD degree. Karadeniz Technical University, Trabzon, Turkey (in Turkish with English abstract)

[35] Öztürk S (2011). Characteristics of seismic activity in the western, central and eastern parts of the North Anatolian Fault Zone, Turkey: temporal and spatial analysis. Acta Geophysica, 59(2): 209–238

[36] Öztürk S (2012). Statistical correlation between b-value and fractal dimension regarding Turkish epicentre distribution. Earth Sciences Research Journal, 16(2): 103–108

[37] Öztürk S (2013). A statistical assessment of current seismic quiescence along the North Anatolian Fault Zone: earthquake precursors.Austrian Journal of Earth Sciences, 106(2): 4–17

[38] Öztürk S (2015). A study on the correlations between seismotectonic b-value and Dc-value, and seismic quiescence Z-value in the Western Anatolian region of Turkey. Austrian Journal of Earth Sciences, 108(2): 172–184

[39] Öztürk S,  Bayrak Y (2012). Spatial variations of precursory seismic quiescence observed in recent years in the eastern part of Turkey. Acta Geophysica, 60(1): 92–118

[40] Öztürk S,  Bayrak Y,  Çınar H,  Koravos G Ch,  Tsapanos T M (2008). A quantitative appraisal of earthquake hazard parameters computed from Gumbel I method for different regions in and around Turkey. Nat Hazards, 47(3): 471–495

[41] Polat O, Gok  E, Yılmaz D (2008). Earthquake hazard of the Aegean Extension region (West Turkey). Turk J Earth Sci, 17: 593–614

[42] Prasad S, Singh  C (2015). Evolution of b-values before large earthquakes of mb≥6.0 in the Andaman region. Geol Acta, 13(3): 205–210

[43] Reasenberg P A (1985). Second-order moment of Central California seismicity, 1969–1982. J Geophys Res, 90(B7): 5479–5495

[44] Roy S, Ghosh  U, Hazra S,  Kayal J R (2011). Fractal dimension and b-value mapping in the Andaman-Sumatra subduction zone. Nat Hazards, 57(1): 27–37

[45] Şaroğlu F,  Emre O, Kuşcu  O (1992). Active fault map of Turkey. General Directorate of Mineral Research and Exploration, Ankara, Turkey

[46] Şengör A M C,  Yılmaz Y (1981). Tethyan evolution of Turkey: a plate tectonic approach. Tectonophysics, 75: 181–241

[47] Smith L A (1988). Intrinsic limits on dimension calculations. Phys Lett A, 133(6): 283–288

[48] Teotia S S, Kumar  D (2007). The Great Sumatra-Andaman earthquake of 26 December 2004 was predictable even from seismicity data of mb>4.5: a lesson to learn from natüre. Indian J Mar Sci, 36(2): 122–127

[49] Wiemer S (2001). A software package to analyze seismicity: ZMAP. Seismol Res Lett, 72(3): 373–382

[50] Wiemer S, Katsumata  K (1999). Spatial variability of seismicity parameters in aftershock zones. J Geophys Res, 104(B6): 13,135–13,151

[51] Wiemer S, Wyss  M (1994). Seismic quiescence before the Landers (M=7.5) and Big Bear (6.5) 1992 earthquakes. Bull Seismol Soc Am, 84(3): 900–916

[52] Wiemer S, Wyss  M (2000). Minimum magnitude of completeness in earthquake catalogs: examples from Alaska, the Western United States, and Japan. Bull Seismol Soc Am, 90(4): 859–869

[53] Woessner J, Wiemer  S (2005). Assessing the quality of earthquake catalogs: estimating the magnitude of completeness and its uncertainty. Bull Seismol Soc Am, 95(2): 684–698

[54] Wu Y M, Chiao  Y L (2006). Seismic quiescence before the 1999 Chi-Chi, Taiwan, M_W7.6 Earthquake. Bull Seismol Soc Am, 96(1): 321–327

[55] Wyss M, Burford  R O (1987). Occurrences of predicted earthquake on the San Andreas fault. Nature, 329(6137): 323–325

[56] Wyss M, Klein  F, Nagamine K,  Wiemer S (2001). Anomalously high b-values in the south flank of Kilauea volcano: evidence for the distribution of magma below Kilauea’s East Rift Zone. J Volcanol Geotherm Res, 106(1−2): 23–37

[57] Wyss M, Martirosyan  A H (1998). Seismic quiescence before the M7, 1988, Spitak earthquake, Armenia. Geophys J Int, 134(2): 329–340

[58] Wyss M, Sobolev  G A, Clippard  J D (2004). Seismic quiescence precursors to two M7 earthquakes on Sakhalin Island, measured by two methods. Earth Planets Space, 56(8): 725–740

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg