ارزیابی و مقایسه کارایی روش‌های کمی فرکتال و آنتروپی در تحلیل وضعیت لرزه خیزی زاگرس شمال غرب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیای، دانشگاه تهران، تهران

2 گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران

10.22034/gmpj.2021.131020

چکیده

زمین‌لرزه‌ها حاصل گسلش و پویایی زمین‌ساختی هر ناحیه هستند و نسبت به بزرگا، فضا و زمان توزیع فرکتالی دارند. در این تحقیق پارامترهای لرزه‌خیزی b-value و FD به عنوان رویکرد کمی فرکتالی در تحلیل لرزه‌خیزی زاگرس شمال غرب بکار رفته است. پارامتر b با توزیع فراوانی-بزرگای گوتنبرگ-ریشتر و پارامتر FD به روش مربع‌شمار محاسبه و همچنین با استفاده از 30 خوشه تمرکز زمین‌لرزه‌ و عوامل مهم، پهنه‌های لرزه‌خیز با روش آنتروپی مشخص شدند. کاهش b-value رخداد زمین‌لرزه‌های با فراوانی کم و بزرگای بالا و افزایش FD عدم خوشه بندی و توزیع یکنواخت زمین‌لرزه‌ها را نشان می دهد. همبستگی منفی این دو مؤید زمین‌ساخت فعال است. نتایج نشان می‌دهند که افزایش FD با کاهش b-value (همبستگی منفی 60 درصد) همراه است. منطقه A (غرب کرمانشاه) ، بالاترین میزان (FD (1/02 و پایین‌ترین میزان b (0/78) را داراست که به معنی توزیع بالای تنش در منطقه (و شاهد آن زمین‌لرزه اخیر کرمانشاه با بزرگای 7/3) است. منطقه E (محل اتصال گسل‌های جبهه ‌کوهستان و بالارود)، مشابه A است اما زمین‌لرزه‌های آن بزرگای کمتری دارند (5 و 6 ریشتر). منطقه F (محل پیوند گسل‌های اصلی و جبهه کوهستان زاگرس)، با وجود تراکم بالای گسل و زمین‌لرزه، نقطه مقابل A است که بیانگر رها شدن تنش در قالب زمین‌لرزه‌هایی کوچک است. منطقه C (حاشیه غربی با کمترین تمرکز گسل و فراوانی زمین‌لرزه)، مشابه F است. مناطق D و B (مجاور گسل‌‌های معکوس و رورانده زاگرس، شرایطی زمین‌ساختی متوسطی دارند. نتایج مدل آنتروپی نتایج FD را تأیید می‌کند و رابطه معکوسی با مقادیر b دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation and comparison of the efficiency of quantitative fractal and Entropy methods in analysis of northwest Zagros seismicity

نویسندگان [English]

  • Abolghasem Goorabi 1
  • seyed mohammad zamanzadeh 2
  • Mojtaba Yamani 2
  • Parisa Pirani 2
1 Department of Physical Geography, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Department of Physical Geography, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction
The purpose of present study is seismicity analysis of Lorestan folded arc and its adjacent thrust belt using quantitative methods. To reach this aim we performed analysis of seismicity using quantitative methods to find possible vertical and horizontal changes in seismic activity across the main Zagros faults of the northwestern part of Zagros. Firstly, we used fractal geometry and frequency-magnitude distribution of earthquakes by using FD and b-value parameters, respectively. Here b-value is the main factor in Gutenberg-Richter empirical relation which indicates the exponential distribution of earthquake magnitudes (Godano et al, 2014; 1765). This parameter also is known as fractal dimension (Mirabedini & aghatabay,2015: 60). FD is fractal dimension of earthquake epicenters distribution which has been calculated by box-counting method (Turcotte 1997). On the other hand Entropy model has been applied to specify potential of seismicity by using effective factors and 30 points of earthquake concentration. The study area in northwestern part of Zagros was divided to the simply folded arc of Lorestan and faulted-folded belt of high Zagros. Several main faults pass through the area from NW to SE and divide its main morphotectonic units as High, folded and foredeep parts of Zagros (Berberian, 1995: 193).
Material and methods
Data in this research can be divided to two part: parameters of earthquakes (magnitude, depth, location of epicenter) and linear data of faults and anticline/syncline axes. These data have been changed into new layers by GIS software extensions (density of epicenter and depth of earthquakes, density of faults and anticline/syncline axes, distance of fault and epicenter of earthquakes, interpolation of epicenter of earthquakes) to be applied in Entropy model, in other hand frequency of magnitude clusters and surface distribution of earthquakes are main data in Gutenberg–Richter relation and Fractal methods respectively. Numerical results of mentioned methods have been calculated and drawn in excel software. Gutenberg–Richter relation (Gutenberg & Richter 1944) is defined as Log N(m)= a-bm, where N is the cumulative number of earthquakes with magnitude larger or equal to m, a is a constant (seismicity level) and b is the slope of frequency-magnitude (size distribution) (Godano, 2014). To calculate fractal dimension of distribution of earthquake epicenters, box counting method suggested by Turcotte (1997) were applied by using Hausdorff dimension, which in two quantity of size (side length of grids) and number (number of grid boxes containing earthquake) are used to calculate FD value (Schuller et al, 2001: 3). In the other section, earthquake epicenters are divided to several clusters with different magnitude, then kernel density of each cluster was applied and subsequently, the maximum concentration of each magnitude cluster was determined as a point layer. Followingly, by overlaying these point layer with effective layers in seismicity analysis, their characteristics was extracted. Finally, an Entropy matrix was calculated and using experts rating and computing the layer’s weight, seismic zones were identified (Zonggi, et al, 2010).
Result and discussion
Estimated b-value indicates approximately reciprocal values compared with FD values. Decrease in b-value reveals that stress level and probability of large magnitude earthquakes occurrence is quite high and increase in FD shows that earthquakes are not clustered and are distributed homogeneously along a line in understudy area. Calculated number-size values for earthquakes represent both partial and popular FD changes. Based on partial FD, three populations can be classified: (a) Background with FD larger than popular FD; (b) Threshold with FD lower than 0.7: and (c) Anomaly with FD more than two. Based on popular FD, distribution of earthquakes is linear and transition to chaos phase is not predicted. Comparison between maximum values of Entropy zoning and FD values for each box indicates that these two values show 93% correlation (regardless of the C box values due to incompatibility with value of other boxes).
Conclusion
Areas with high FD value and low b-value are more tectonically active. The box labeled A which represent western parts of Kermanshah in folded Zagros, has the highest FD value (1.02) and lowest b-value (0.78). The box labeled F in southern east part is in contrast with it (highest b value:1.02 and one of the lowest FD value: 0.89) in understudy areas. E (Balarud fault) and D (High and folded Zagros) parts have almost the same FD and b values. FD and b values in B (high Zagros) are equal and less than the aforementioned areas. C (that contains a part of mountain front fault) has the lowest value of FD and same b-value as B and the changes of Entropy max values are same as FD values.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Seismicity
  • Northwestern Zagros
  • fractal
  • Entropy
  • ارکات، ج.، باباخانی، م و ابراهیمی، ب.، 1388. بکارگیری بازپخت شبیه سازی شده در مدل آنتروپی توزیع سفر، نشریه بین‌المللی مهندسی صنایع و مدیریت تولید، جلد 20، شماره 1، صص 21-16.
  • اسمائیلی، ش.، امجدی، ع و نساری، ح.، 1397. تحلیل خطر زلزله به روش تعیینی و احتمالاتی و تعیین بیشینه شتاب و بزرگا ناشی از گسل‌های اصلی مسبب زلزله در سایت ایوان غرب، هجدهمین کنفرانس ژئوفیزیک ایران، اردیبهشت 97، صص 76-83.
  • اصغرپور، م.، 1392. تصمیم‌گیری‌های چند معیاره، چاپ 11، انتشارات دانشگاه تهران، تهران.
  • آق‌اتابای، مریم.، 1393. تحلیل چندفرکتالی مراکز سظحی زمین‌لرزه‌های استان گلستان، علوم زمین، سال 23، صص 128-123.
  • آقانباتی، ع، 1383. زمین‌شناسی ایران، تهران، سازمان زمین‌شناسی کشور.
  • بیت‌الهی، ع.، معتمد، پ.، 1389. پارمترهای لرزه‌خیزی البرز مرکزی، پژوهشنامه زلزله‌شناسی، سال 13، شماره 3 و 4، صص 8-1.
  • جمالی، ف.، 1369. مروری بر زمین‌ساخت زاگرس، سازمان زمین‌شناسی کشور، شرکت توسعه علوم زمین، گروه زمین‌شناسی، تهران.
  • درویش‌زاده، ع.، 1370. زمین‌شناسی ایران، چاپ اول، نشر دانش امروز (وابسته به انتشارات امیرکبیر)، تهران.
  • سعیدنژد، م.، کشاورزی پورتفتی، س.، 1394. تحلیل خطر لرزه‌ای با مدل گوتنبرگ-ریشتر و پواسون، رسم نقشه b-value و محاسبه مقادیر DBE & MCE در استان خراسان رضوی. زمین‌ساخت، سال 1، شماره 4، صص 49-37.
  • فروهید، ن.، 1385. گسل‌های زمین‌لرزه‌ای و توزیع میدان تنش در ایران، پایان نامه کارشناسی ارشد رشته ژئوفیزیک (گرایش زلزله‌شناسی)، راهنما: نوربخش میرزایی، مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران.
  • مداحی‌زاده، ر.، مصطفی‌زاده، م.، انصاری، ا.، 1393. برآورد میزان همبستگی بین پارامترهای لرزه‌خیزی در پهنه زاگرس، شانزدهمین کنفرانس ژئوفیزیک ایران، 23 تا 25 اردیبهشت، صص 264-260.
  • مصطفی‌زاده، م.، 1391. بررسی آماری پارامترهای لرزه‌ای منطقه زاگرس، پژوهشنامه زلزله‌شناسی ، سال 15، شماره 4، صص 19-9.
  • مقیمی، ا.، باقری‌سیدلشکری، سجاد.، صفرراد، طاهر.، 1391. پهنه‌بندی خطر زمین‌لغزش‌ با استفاده از مدل آنتروپی (مطالعه موردی: تاقدیس نسار زاگرس شمال غربی)، پژوهش‌ها‌ی جغرافیای طبیعی، شماره 79، صص 90-77.
  • مقیمی، ا.، نگهبان، سعید.، 1391. بررسی فرسایش در حوضه آبخیز رودخانه شور فدامی ‌(استان فارس) با استفاده از مدل آنتروپی، پژوهش‌ها‌ی جغرافیای طبیعی، سال 44، شماره 3، صص 16-1.
  • میرعابدینی، م.، آق‌آتابای، م.، 1394. تغییرات فضایی پارامترهای فرکتالی البرز مرکزی ، علوم زمین، جلد 1، شماره 1، صص 70-57.
  • میرعابدینی، م.، آق‌آتابای، م.، رحیمی چاکدل، ع.، 1390. بررسی خصوصیات فرکتالی زمانی زمین‌لرزه‌های ناحیه بلده ( البرز مرکزی)، سی‌امین گردهمایی علوم زمین، 1 تا 3 اسفند 90، وزارت صنعت معدن و تجارت، سازمان زمین‌شناسی. صص 7-1.
  • Agard, P., Omrani, J., Jolivet, L. and Mouthereau, F., 2005. Convergence history across Zagros (Iran): constraints from collisional and earlier deformation. Earth Science, 94, pp. 401–419.
  • Aki, K., 1981. A probabilistic synthesis of precursory phenomena, in earthquake prediction, American Geophysical Union, Maurice Ewing Series 4, Eds Simpson, D.W. and Richards, P.G., pp. 566-574.
  • Aki, K., and Richards, P. ,1980, Quantitative Seismology, Theory and Methods. H. Freeman.
  • Ashtari Jafari, M., 2008. The distribution of b-value in different seismic provinces of Iran. The 14th World Conference on Earthquake Engineering, October 12-17, 2008, Beijing, China.
  • Bachmanov, D.M., Trifonov, V.G., Hessami, Kh.T, Kozhurin, A.I, Ivanova, T.P, Rogozhin, E.A Hademi, M.C. and Jamali, F.H., 2004, Active Faults in the Zagros and Central Iran. Tectonophysics, 380 ( 3-4). pp. 221-241.
  • Berberian, M., 1995. Master blind thrust faults hidden under the Zagros folds: active basement tectonics and surface morphotectonics. Tectonophysics, 241, pp. 193-224.
  • Berberian, M. and King, G. (1981). Towards a paleogeography and tectonic evolution of Iran, Earth Sciences, 18, pp. 210-265.
  • Blanc, E.J.P., Allen, M.B., Inger, S. and H. Hassani, H., 2003. Structural styles in the Zagros simple folded zone, Iran. geological society (London), 160, pp. 401–412.
  • Godano, C., Lippiello, E. and de Arcangelis, L., 2014. Variability of the b value in the Gutenberg–Richter distribution, Geophysical Journal International, 199 (3), pp. 1765–1771.
  • Hamdache, M., Henares, J., Pela´Ez, A and Damerdji, Y., 2019. Fractal Analysis of Earthquake Sequences in the Ibero-Maghrebian Region, Pure and Applied Geophysics, 176, pp. 1397–1416.
  • Hessami, K., Koyi, H.A., Talbot, C.J., 2001. The significance of strike‐slip faulting in the basement of the Zagros fold and thrust belt. Petroleum geology, 24 (1), pp. 5-28.
  • Hirata, T.,1989. A correlation between the b-value and the fractal dimension of earthquakes. Geophysic Research, 94, pp. 7507-7514.
  • Jackson, J. and Mckenzie, D., 1984. Active tectonics of the Alpine-Himalayan Belt between western Turkey and Pakistan. Royal Astronomical Society, 77, pp. 185–264.
  • Jackson, J.A. and Fitch, T., 1981. Basement faulting and the focal depth of the larger earthquakes in the Zagros Mountains (Iran). Royal Astronomical Society, 64, pp. 561-586.
  • Kagan, Y. and Knopoff, L., 1980. Spatial-distribution of earthquakes: the 2-point correlation-function. Geophysical Journal International, 62, pp. 303–320.
  • King, G., 1983. The accommodation of large strains in the upper lithosphere of the Earth and other solids by self-similar fault systems: the geometrical origin of b-value, Pure and Applied Geophysics, 121, pp. 761- 815.
  • Maggi, A., Jackson, J.A., Priestley, K., and Baker, C., 2000. A re-assessment of focal depth distributions in southern Iran, the Tien Shan and Northern India. Geophysics, 142, pp. 629-661.
  • Mandelbrot, B. B., 1982- The Fractal Geometry of Nature. Freeman, New York.
  • Minoch, S and Parves, I.A, 2020. Self-Orgnized Fractal Seismicity and b-value of Aftershocks of the 2015 Groskha Earthquake, Nepal, International Journal of Geoscience, 11 (8), pp. 562-579
  • Mirzaei, N., Gao, M. and Chen, Y.T., 1997. Seismicity in major seismotectonic provinces of Iran, Earthquake Research in China 11(4), pp. 351-361.
  • Naimi Ghassabian, N., Khatib, M.M, K., Nazari, H. and Heyhat, M.R., 2016. Fractal dimension and earthquake frequency-magnitude distribution in NCEIB. Geopersia, 6 (2), pp. 243-264.
  • Nampally, S., Padhy, S., Dimri, V., 2018. Characterizing spatial heterogeneity based on the b-value and fractal analyses of the 2015 Nepal earthquake sequence, Tectonophysics, 722, pp. 154-162.
  • Nouri, R., Jafari, M.R., Arian, M., Feizi, F. and Afzal, P., 2013. Correlation between Cu mineralization and major faults using multifractal modeling in Tarom 1:100,000 sheet, NW Iran. Geologica Carpathica, 64, pp. 409-416.
  • Novelo-Casanova, D.A., Martinez-Bringas, A. and Valdés-González, C., 2006: Temporal variations of Qc −1 and b values associated to the December 2000–January 2001, volcanic activity at the Popocatépetl, Mexico, volcano. Geotherm. Research, 152, pp. 347–358.
  • Oncel, A.O. and Wilson, T., 2002. Space-time correlations of seismotectonic parameter and examples from Japan and Turkey preceding the izmit earthquake. Seism. Soc. Am, 92, pp.339–350.
  • Paulov, J. 1991. The Zone-Size-Dependent Entropy Formula and Spatial Interaction Modeling: A Note on Some Implications. Environment and Planning, 23, pp. 557-570.
  • Rodriguez-Iturbe, I., and Rinaldo, A., 1997. Fractal River Basin (Chance and Self-Organization). Cambridge, Cambridge University Press.
  • Schuller, D.J., Rao, A.R., and Jeong, G.D., 2001. Fractal characteristics of dense stream networks. Hydrology, 243 (1-2), pp. 1–16.
  • Sornette, D., Vanneste, C., and Sornette, A., 1991. Dispersion of b values in Gutenberg- Richter law as a consequence of a proposal fractal nature of continental faulting, Geophysics Research. , 18, pp. 897-900.
  • Strogatz, S.H., 1994. Nonlinear Dynamics and Chaos. Perseus Books pub, New York.
  • Telesca, L., Cuomo, V., Lapenna, V. and Macchiato, M., 2001. Identifying space time clustering properties of the 1983-1997 Irpinia- Basilicata (southern Italy) seismicity. Tectonophysics 330, pp. 93-102.
  • Turcotte, D.L., 1997. Fractal and Chaos in Geology and Geophysics. Cambridge University Press, first press 1992.
  • Verges, J., Goodarzi, M.G.H., Emami, H., Karpuz, R., Efstathiou, J. and Gillespie, P., 2011. Multiple detachment folding in Pusht-e Kuh arc, Zagros: Role of mechanical stratigraphy. Thrust fault-related folding. Petroleum Geologists Memoir, 94, pp. 69–94.
  • Vernant, P., Nilforushan, F., Hatzfeld D., Abassi, M., Vigney, C., Mason, F., Nankali, H., Martinod, J., Ashtiany M., Bayer R., Tavakoli, F. and Chery, J., 2004. Present day crustal deformation and plate kinematics in Middle East constrained by GPS measurements in Iran and north Oman. Geophysical Journal International, 157, 381-398.
  • Wiemer, S. and Wyss, M., 2000. Minimum magnitude of completeness in earthquake catalogs: examples from Alaska, the Western United States, and Japan. Seism. Soc. Am. 90, pp. 859–869.
  • Wu, H.Y., Liu, H.F., Xu, W.J, and Wang, X., 2017. Fractal dimension and b value of the aftershock sequence of the 2008 M S 8.0 Wenchuan earthquake, Natural Hazards, 88 (14), pp. 315-325.
  • Yin, M.M. and Shen, W., 2009. Gutenberg-Richter Recurrence Law to Seismicity Analysis of Southern Segment of the Sagaing Fault and Its Associate Components. World Academy of Science, Engineering and Technology 26, 2009, pp. 1026-1029.
  • Zongji, Y., Jianping, Q. and Xiaogang, ZH., 2010. Regional Landslide Zonation Based on Entropy Method in Three Gorges Area, China, Seventh International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery, pp. 1336 – 1339.