A unified seismicity catalogue for the Sea of Marmara Region, Turkey, and subsequent studies regarding repeating earthquakes and the local stress field

Abstract

The North Anatolian Fault Zone (NAFZ) in the Sea of Marmara, Turkey, is likely to host a major earthquake (magnitude M > 7) in the coming decades. This exposes one of Europe’s largest metropolitan areas, Istanbul, to substantial risk. The thesis at hand contributes to the description of the seismotectonic setting in the area, a prerequisite for a comprehensive seismic hazard assessment.

As the extended water body in the area has inhibited continuous seismic near-fault recordings, this long term study covering a decade of seismic activity (2006–2016) aggregates different land based, permanent seismic networks for joint analysis including the two largest, national seismic networks. With such optimized azimuthal coverage and a consistent waveform-processing scheme, a refined earthquake catalogue with 6812 hypocentre locations is obtained. The development and regional adjustment of the involved automatized timing (picking) and iterative inversion of seismic P- and S-wave onsets are explained in detail. Newly calculated moment magnitudes indicate completeness down to Mc = 2.1. As part of this thesis, the new catalogue serves as input for a search of highly similar earthquakes (repeaters) and a segmented investigation of the stress field where waveform cross-correlation and direct inversion of first-motion polarities are the employed methods, respectively.

The earthquake distribution distinguishes the northern branch of the NAFZ as the more active fault strand and spares several aseismic patches there. The latter are interpreted as locked fault segments where their contours are further sharpened by a catalogue of 4407 relatively relocated earthquakes. Repeating earthquakes in the western half of the Sea of Marmara indicate that the fault segments there accommodate the far-field deformation by partial creep. For the same fault segment the stress-field inversion indicates a normal faulting regime.

Adjacent, in the east and west offshore the Ganos Mountains and the Princes’ Islands, respectively, it is framed by strike-slip regimes. This spatial variation of the orientation of the largest and intermediate principal stresses as well as most of the newly calculated single focal mechanisms are in agreement with large scale transtension. It is found for other seismically active areas off the northern fault branch too and it is characterized by a least compressive principal stress that has almost constant N35°E trend on average and a subhorizontal plunge.

The transtensional setting with a combination of normal and strike-slip stress regimes implies that both faulting types could be involved during the expected major earthquake. Its nucleation seems more likely within locked fault patches and less likely at segments displaying creep. As the latter are situated on the farer end of the fault zone, the hazard from a rupture directed towards Istanbul is relaxed.

Die Nordanatolische Verwerfungszone auf Höhe des Marmarameeres in der Türkei wird in den kommenden Jahrzehnten mit großer Wahrscheinlichkeit ein Starkbeben (M > 7) generieren. Dies stellt ein erhebliches Risiko für die Region Istanbul als eines der größten und dichtesten Siedlungsgebiete Europas dar. Die hier vorgelegte Doktorarbeit ist ein Beitrag zur Beschreibung der regionalen Seismotektonik, welche unerlässlich für eine umfassende Bewertung der seismischen Gefährdung ist.

Da der ausgedehnte Wasserkörper des Marmarameeres im Untersuchungsgebiet keine kontinuierlichen seismischen Aufzeichnungen nahe der Verwerfung ermöglicht, vereint diese Langzeitstudie (2006–2016) verschiedene landgestützte, permanent aufzeichnende seismische Netzwerke zur einheitlichen Auswertung, einschließlich der beiden größten nationalen Netzwerke. Mit dieser optimierten azimutalen Abdeckung sowie einer konsistenten Verarbeitung der Wellenformen wurde ein vereinheitlichter Erdbebenkatalog mit 6812 Hypozentren erstellt. Die Entwicklung und Einstellung der Computeralgorithmen zur automatisierten Bestimmung und iterativen Inversion von Ankunftszeiten der aufgezeichneten P- und S-Wellen werden im Detail beschrieben. Neu berechnete Momenten-Magnituden ergeben eine Vollständigkeit des Katalogs bis Mc = 2.1. Der neue Katalog wurde als Grundlage für zwei weitere Studien im Rahmen dieser Doktorarbeit herangezogen, welche Sequenzen von hoch ähnlichen Erdbeben und die segmentierte Auflösung des Spannungsfeldes untersuchen. Dabei dienten die Kreuzkorrelation von Wellenformen und die direkte Inversion von Erstausschlägen als methodische Werkzeuge.

Die Verteilung der Erdbeben zeichnet den nördlichen Ast der Nordanalotlischen Verwerfungszone als den aktiveren aus, wobei mehrere aseismische Bereiche hervortreten. Letztere werden als verhakte Verwerfungssegmente interpretiert wobei ihre Kontur durch einen Katalog von 4407 relativ relokalisierten Erdbeben geschärft wird. Sequenzen von hochähnlichen Erdbeben in der westlichen Hälfte des Verwerfungsastes deuten daraufhin, dass die Fernfelddeformation an dieser Stelle durch partielle Kriechbewegung verarbeitet wird. Für dieses Verwerfungssegment zeigt eine Spannungsfeldinversion ein Abschiebungsregime auf.

Die angrenzenden Segmente im Osten und Westen, seewärts des Ganosgebirges und vor den Prinzeninseln, sind durch Blattverschiebungsregime gekennzeichnet. Sowohl diese räumliche Variation der Orientierung der größten und mittleren Hauptspannungen als auch die neu berechneten Herdflächenmechanismen einzelner Erdbeben anderseits stimmen mit einem großflächig transtensiven Spannungsfeld überein. Dieses wird auch in anderen seismisch aktiven Bereichen abseits des nördlichen Verwerfungsastes nachgewiesen und ist durch die kleinste Hauptspannung charakterisiert, welche für alle Segmente fast konstant nach N35°E streicht und fast horizontal einfällt.

Die für die Region charakteristische transtensive Krustenspannung mit benachbarten Abschiebungsund Blattverschiebungsregimen impliziert, dass beide Typen von Bruchmechanismen bei dem überfälligen Starkbeben eine Rolle spielen könnten. Dessen Risskeimbildung in verhakten Verwerfungsbereichen erscheint wahrscheinlicher als in solchen mit kriechender Deformation. Da letztere am weiter entfernten Ende der Verwerfung zu finden sind, verringert dies die Gefahr einer Rissausbreitung in Richtung Istanbul.