Earth Sciences Research Journal

Fast estimation of earthquake arrival azimuth using a single seismological station and machine learning techniques

ABSTRACT The objective of this research is to develop a new approach to estimate earthquake arrival azimuth using seismological records of the "El Rosal" station, near to the city of Bogota - Colombia, by applying support vector machines (SVMs). The algorithm was trained with time series descriptors of 863 events recorded from January 1998 to October 2008, considering only events with magnitude ≥ 2 ML. The earthquake signals were filtered in order to remove diverse kind of low and high-frequency noise not related to typical seismic activity in the area. During training stages of SVMs, several combinations of kernel exponent and complexity factor were applied to time series of 5, 10 and 15 seconds along with earthquake magnitudes of 2.0, 2.5, 3.0 and 3.5 ML. The best classification of SVMs was obtained using time windows of 5 seconds and earthquake magnitudes greater than 3.0 ML with kernel exponent of 10 and complexity factor of 2, showing an accuracy of 45.4 degrees. This research is an improvement of previous works related to earthquake arrival azimuth determination from single station data employing machine learning techniques.

RESUMEN El propósito de esta investigación es desarrollar un nuevo enfoque para estimar el azimut de llegada de terremotos utilizando registros sismológicos de la estación El Rosal, cercana a la ciudad de Bogotá - Colombia, mediante la aplicación de máquinas de vectores de soporte (MVS). El algoritmo fue entrenado con descriptores de series de tiempo de 863 eventos adquiridos desde Enero 1998 hasta Octubre de 2008, considerando solamente eventos con magnitudes ≥ 2 ML. Las señales de los terremotos fueron filtradas para remover diversos tipos de ruidos de alta y baja frecuencia no relacionados con la actividad sísmica típica en el área. Durante las etapas de entrenamiento de la MVS fueron aplicadas varias combinaciones del exponente kernel y factor de complejidad, a series de tiempo de 5, 10 y 15 segundos junto con terremotos de magnitudes mayores a 2.0, 2.5, 3.0 y 3.5 ML. La mejor clasificación de la MVS fue obtenida utilizando ventanas de tiempo de 5 segundos y terremotos de magnitud mayor a 3.0 ML con exponente kernel de 10 y factor de complejidad de 2, mostrando una precisión de 45.4 grados. Esta investigación es una mejora a trabajos previos relacionados con determinación del azimut de llegada de un terremoto a partir de datos de una única estación sismológica empleando técnicas de aprendizaje de máquinas.

Effects of Sediment Thickness upon Seismic Amplification in the Urban Area of Chiapa de Corzo, Chiapas, Mexico

ABSTRACT Local variations in soil type and (to a lesser extent) topography determine seismic amplification, thereby establishing spatial patterns in the damages caused by large earthquakes, such as the two that occurred in Chiapas, Mexico on 6 October 1975 and 7 September 2017. The latter, of Mw 8.2, was the region's strongest during the last 100 years. Based upon damage patterns, an analysis was made to identify the effects of sediment thickness and type upon seismic amplification in the urban zone of Chiapa de Corzo, Chiapas. Salgado et al, (2004) had shown that the fundamental periods of soil vibration in the city vary from0.14 s to0.39 s. From those periods, and using the model presented in Newmark and Rosenbleuth (1976), with an average shear-wave velocity of150 m/s, the variation of the sediment thicknesses that cause site effects in the area was determined. The thicknesses ranged between 7.12 and 14.6 m. Finally, through the use of a map prepared with GIS software, a spatial correlation was made with the historical earthquake damage recorded within the city.

RESUMEN Las variaciones locales del tipo de suelo y la topografía en menor medida, determinan la amplificación sísmica y han establecido un patrón en los daños observados durante grandes terremotos, como el que se produjo el 06 de octubre de 1975 y el 07 de septiembre de 2017Mw 8.2, siendo el más importante en la historia sísmica del último siglo en la región. Con estas bases se realiza un análisis para identificar la participación del espesor de sedimentos en la amplificación sísmica en la zona urbana de Chiapa de Corzo, Chiapas. Para obtener el espesor en el área de estudio se utilizaron los períodos fundamentales de vibración del suelo obtenidos por Salgado et al. (2004), que varían entre 0.14 s y 0.39 s. Además, a través del modelo utilizado por Newmark y Rosenbleuth (1976), se determinó la variación de los espesores de sedimentos que conducen el efecto de sitio en la zona, para lo cual se considera una velocidad media de onda de corte de 150 m/s. Finalmente, mediante el uso de software tipo GIS, se elaboró un mapa que representa los espesores de sedimentos en la ciudad de Chiapa de Corzo, que oscilan entre 7.12 m y 14.62 m y se hizo una correlación espacial con los daños históricos por sismo en la ciudad.

Soft-sediment Deformation Structures and Sand Body Architecture in the Chang 6 Oil Member of the Upper Triassic Yanchang Formation, Southwestern Ordos Basin, China

ABSTRACT Soft-sediment deformation (SSD) structures of the Upper Triassic Yanchang Formation are laterally widespread in the Ordos Basin. In the Huachi-Qingyang (H-Q) area of the Ordos Basin, the Chang 6 oil member of the Upper Triassic Yanchang Formation is among the most significant Mesozoic oil-bearing strata. It is characterized by the development of reservoir sand bodies. During the depositional evolution of the Chang 6 oil member, SSD structures induced by paleo-seismic events developed in the H-Q area in the middle of the basin. The SSD structures developed in the sand bodies of the Chang 6 oil member are mainly ball-and-pillow structures, fold structures, sand dikes, irregular convolute stratifications, and synsedimentary faults. The architecture of the sand bodies resulted from paleo-seismic events and gravity slumping and mainly include two types of structures: i) SSD structures driven by paleo-seismic events with delta front sand body (SD-SSD) and ii) SSD structures driven by paleo-seismic events with turbidites (formed by delta-front slumping and re-distribution due to seismic action) (ST-SSD). As a consequence, genetic models of the sand bodies formed by different sedimentation processes are established.

RESUMEN Las estructuras de deformación de sedimentos blandos de la Formación Yanchang del Triásico Superior están extendidas lateralmente en la cuenca Ordos. En el área Huachi-Qingyang de esta cuenca, el miembro de petróleo Chang 6 está entre los estratos petrolíferos más significativos del Mesozoico. Este se caracteriza por el desarrollo de cuerpos de arena en el yacimiento. Durante la evolución deposicional del miembro Chang 6, las estructuras de deformación de sedimentos blandos se desarrollaron en el área Huachi-Qingyang, en el medio de la cuenca, inducidas por eventos paleosísmicos. Las estructuras de deformación de sedimentos blandos que se desarrollaron en los cuerpos de arenas del miembro de petróleo Chang 6 son principalmente estructuras esféricas y acojinadas, estructuras plegadas, canales de arena, estratificaciones irregulares enrolladas y fallas sinsedimentarias. La arquitectura de los cuerpos arenosos son el resultado de eventos paleosísmicos y la caída por gravedad; se reconocen principalmente dos tipos de estructuras: 1. Estructuras de deformación de sedimentos blandos por eventos paleosísmicos con cuerpos arenosos del frente del delta. 2. Estructuras de deformación de sedimentos blandos traídas por eventos paleosísmicos con turbiditas (formadas por la caída del frente del delta y redistribuidas debido a la acción sísmica). Como consecuencia, se establecieron los modelos genéticos de los cuerpos arenosos formados por diferentes procesos de sedimentación.

Analysis of the Ordovician Carbonate Hydrothermal Process in Tadong Area, Xinjiang, China

ABSTRACT Hydrothermal activity played an important part in the formation of the Ordovician dolostone reservoirs in Tadong area (eastern Tarim Basin). By applying the technologies of thin rock section microscopic identification, cathodoluminescence analysis, carbon and oxygen isotope analysis, trace element, rare earth element analysis, among others, the mineralogical characteristics and geochemical characteristics of the hydrothermal process are studied. It can seen that the Ordovician hydrothermal process has represented by dolomite in various forms in the aspect of petrology and mineralogy. It is mainly composed of medium-megacryst crystalline dirty dolomite and powder-megacryst crystalline cleaner dolomite. The geochemical characteristics are the hydrothermal origin, medium-megacryst crystalline dirty dolomite with lower δ18O value, high Mn-Fe content, and positive Eu anomaly. The powder-megacryst crystalline has cleaner dolomite, with higher δ18O value, the Mn content low, and the negative Eu anomaly. Provide a reference for the Ordovician carbonate in Tadong area oil and gas exploration in the study.

RESUMEN La actividad hidrotermal desempeñó un papel importante en la formación de los depósitos de roca dolomítica durante el período del Ordovícico en el área de Tadong (cuenca oriental de Tarim). Al aplicar las tecnologías de identificación microscópica con pruebas de láminas delgadas, análisis de catodoluminiscencia, análisis de isótopos de carbono y oxígeno, análisis de elementos traza, análisis de elementos de tierras raras, entre otros, se estudian las características mineralógicas y las características geoquímicas del proceso hidrotérmico. Se puede ver que el proceso hidrotermal del Ordovícico representa diversas formas en el aspecto de petrología y mineralogía de la dolomita. Este se compone principalmente de megacristales medios de dolomita cristalina sucia y megacristales de polvo de dolomita limpiadora cristalina. Las características geoquímicas son de origen hidrotermal; los megacristales medios de dolomita cristalizada sucia tienen un valor inferior a δ18O; el contenido de Mn-Fe es alto mientras que la anomalía Eu es positiva. El cristalino de megacristales en polvo tiene una dolomita más limpia, con un valor mayor a δ18O, un bajo contenido de Mn y una anomalía de Eu negativa. Este estudio proporciona una referencia para el carbonato ordovícico en la exploración de petróleo y gas del área de Tadong.

Mineralogical features and petrogenetic significance of the clinopyroxene and hornblende of the Wuhaolai mafic complex in northern North China Craton, Inner Mongolia

ABSTRACT The Wuhaolai mafic complex is located in the north margin of the North China Craton (NCC), Inner Mongolia. To discuss the mineralogical features, magma evolution process, and tectonic setting of the complex, we analyzed the geochemical compositions of clinopyroxene and hornblende using an electron probe. The results revealed that the parental magma of this complex belonged to the intraplate alkaline basalt series. The normal zoning texture and the relation between Mg# and FeO, Al2O3, CaO, Na2O, SiO2 and Cr2O3 suggested that the clinopyroxenes of pyroxenite and gabbro crystallized from the same parental magma. The similar CaO content of clinopyroxenes indicated that the parental magma of the Wuhaolai complex may have suffered crustal contamination. Furthermore, the characteristics of hornblende demonstrated that the magma source was modified by fluids derived from subducted slab. Based on the value of Kdcpx (0.23-0.27), the equilibrium melt with clinopyroxene exhibited a relatively low Mg# (43-53), indicating that the parental magma was derived from the lithospheric mantle and underwent crystal fractionation. The gabbro crystallization temperature and pressure was found to be lower than that of pyroxenite, indicating that gabbro was formed at a lower depth than that of pyroxenite. Combining the tectonic setting discrimination diagram of clinopyroxene with the results of previous studies on the late Paleozoic intrusions near the research area, we proposed that the Wuhaolai complex was formed in an intraplate environment. The magma source was modified by fluids derived from the subducted slab during the subduction of the Paleo-Asian Ocean (PAO). After the PAO closure, the parental magma of the Wuhaolai complex was produced by the partial melting of the enriched lithospheric mantle

RESUMEN El complejo máfico de Wuhaolai está ubicado en el margen norte del Cratón del Norte de China (NCC), Mongolia Interior. Para analizar las características mineralógicas, el proceso de evolución del magma y el ajuste tectónico del complejo, analizamos las composiciones geoquímicas de clinopiroxeno y hornblenda utilizando una microsonda de electrones. Los resultados revelaron que el magma parental de este complejo pertenecía a la serie de basalto alcalino intraplaca. La textura normal de zonificación y la relación entre Mg # y FeO, Al2O3, CaO, Na2O, SiO2 y Cr2O3 sugirieron que los clinopiroxenos de piroxenita y gabbro se cristalizaron del mismo magma parental. El contenido similar de CaO de los clinopiroxenos indica que el magma parental del complejo Wuhaolai puede haber sufrido contaminación de la corteza. Además, las características de la hornblenda demostraron que la fuente de magma fue modificada por fluidos derivados de la losa subducida. Sobre la base del valor de Kdcpx (0.23-0.27), la masa fundida en equilibrio con clinopiroxeno exhibió un número de Mg relativamente bajo (43-53), lo que indica que el magma parental se derivó del manto litosférico y se sometió a un fraccionamiento de cristales. Se encontró que la temperatura y la presión de cristalización de gabbro eran más bajas que la de piroxenita, lo que indica que el gabro se formó a una profundidad más baja que la piroxenita. Combinando el diagrama de discriminación del ajuste tectónico del clinopiroxeno con los resultados de estudios previos sobre las últimas intrusiones del Paleozoico cerca del área de investigación, proponemos que el complejo Wuhaolai se forma en un entorno intraplaca. La fuente de magma fue modificada por fluidos derivados de la losa subducida durante la subducción del Océano Paleoasiático (PAO). Después del cierre de la PAO, el magma parental del complejo Wuhaolai se produjo mediante la fusión parcial del manto litosférico enriquecido

Crustal Velocity Models Retrieved from Surface Wave Dispersion Data for Gujarat Region, Western Peninsular India

ABSTRACT The physiographic features of Gujarat state of western India are unique, as they behaved dynamically with several alterations and modifications throughout the geological timescale. It displays a remarkable example of a terrain bestowed with geological, physiographical and climatic diversities. The massive 2001 Bhuj earthquake (M 7.7) over the Kachchh region caused severe damage and devastation to the state of Gujarat and attracted the scientific community of the world to comprehend on its structure and tectonics for future hazard reduction. In the present study, three clusters of wave paths A, B1, and B2 have considered. In each cluster, dispersion data were measured station by station which collectively formed a dispersion data file for a nonlinear inversion through Genetic algorithm. In this way, three crustal velocity models were generated for entire Gujarat. These models are 1) Across Cambay Basin (Path A), 2) Along Saurashtra - Kathiawar Horst (Path B1) and 3) Along Narmada Basin (Path B2), which were formed at different times during the Mesozoic. The average thickness of the crust estimated in the present study for paths A, B1 and B2 are 38.2 km, 36.2 km, and 41.6 km respectively and the estimated S-wave velocity in the lower crust is ~ 3.9 km/s for all the paths. The present study will improve our knowledge about the structure of the seismogenic layer of this active intraplate region

RESUMEN Las características fisiográficas del estado occidental de la India son únicas, ya que ellas actúan dinámicamente con varias alteraciones y modificaciones a través de la escala de tiempo geológica. Estas características son el ejemplo de un terreno con diversidades climáticas, fisiográficas y geológicas. El terremoto de Bhuj en 2001 (de magnitud 7.7.) en el distrito de Kutch causó varios daños y devastación al estado de Gujarat, al tiempo que atrajo a la comunidad científica del mundo para estudiar su estructura y tectónica con el fin de reducir futuros peligros. En el estudio presente se consideraron tres grupos de trayectorias de ondas, A, B1 y B2. En cada grupo la información de dispersión se midió estación por estación y el conjunto de datos de dispersión recolectados permitió una inversión no lineal a través de un algoritmo genético. De esta forma, tres modelos de velocidad cortical se generaron para todo Gujarat. Estos modelos son: 1. A lo largo de la cuenca Cambay (Trayecto A). 2. A lo largo de Saurashtra - Kathiawar Horst (Trayecto B1). 3. A lo largo de la cuenca Narmada (Trayecto 2), los cuales se formaron en momentos diferentes durante el Mesozoico. El promedio del grosor de la capa estimado en este estudio para las trayectorias A, B1, y B2 es de 38,2 km, 36,2 km y 46,1 km respectivamente, y la velocidad de la onda S en la parte baja de la capa es de ~ 3.9 km/s para todas las trayectorias. Este trabajo debe contribuir el conocimiento acerca de la estructura de la capa sismogénica de esta activa región que yace entre placas

The quantitative prediction of tectonic fractures of Longmaxi formation in Dingshan area, southeastern Sichuan Basin

ABSTRACT Tectonic fractures are a significant factor for the production of the Longmaxi formation in Dingshan area. The analysis of the distribution and development degree of tectonic fractures is the main research method in present-day. Based on the data of field outcrops and borehole core, the new method-binary method is put forward by rock fracture and energy value to decide tectonic fracture development. According to the method, the fitting formula is offered between the relation of the value of rock fracture, energy, and fracture density. Compared to the fracture density predictive value and the observed value of 15 wells, all wells relative error of less than 25%. The prediction results are accurate. According to the fitting formula of fracture development and distribution in the study area are obtained. The results show that the fracture density is high as a whole of the Longmaxi formation in Dingshan area. Whole shows by southeast to gradually reduce the trend of the northwest. Supported the future of the oil and gas exploration to provide geological basis and guidance in Dingshan area.

RESUMEN Las fracturas tectónicas son un factor determinante en la producción en la formación Longmaxi, en el área Dingsahn. El análisis de la distribución y grado de desarrollo de las fracturas tectónicas es uno de los principales métodos de investigación en nuestros días. Con base en la información de los afloramientos y el núcleo del pozo, el nuevo método binario se presenta como valor de las fracturas rocosas y de energía para decidir el desarrollo de las fracturas tectónicas. De acuerdo con este método, se ofrece una formula de ajuste sobre la relación del valor de la fractura de la roca, la energía y la densidad de la fractura. Al comparar el valor predictivo de la densidad de fractura y el valor observado en 15 pozos, todos los pozos tienen un error relativo menor al 25 %. La predicción de resultados es exacta. Gracias a la formula de ajuste se obtuvo el desarrollo de la fractura y la distribución en el área de estudio. Los resultados muestran que la densidad de la fractura es tan alta como la de la Formación Longmaxi en el área de Dingshan. Los resultados muestran que el sudeste gradualmente reduce la tendencia del noroeste. Estos hallazgos respaldan el futuro de la exploración de gas y petróleo que aporten a las bases geológicas para el área de Dingshan.

Optimization of Fusion Method for GF-2 Satellite Remote Sensing Images based on the Classification Effect

ABSTRACT With the successful launch of China’s GF series satellites, it is more important to study the image data quality, the adaptability of processing method and information extraction method. The panchromatic and multi-spectral data which is based on the GF-2 images data of Chinese sub-meter high-resolution remote sensing satellite is fused by PCA, Pansharp, Gram-Schmidt and NNDiffuse fusion. Then, the quality of the fusion images were evaluated subjectively and objectively. In order to evaluate the applicability of different classification algorithms to the classification, the object-oriented classification algorithm which is based on machine learning algorithm, such as KNN, SVM and Random Trees were used to classify the different GF-2 fusion images. The results showed that: (1) The best visual effect of GF-2 fusion image was the Pansharp fusion image; The quantitative evaluation results showed that the brightness and information retention of Gram-Schmidt fusion image was the best, while the Pansharp fusion image had the highest correlation with the original multi-spectral image; the NNDiffuse fusion image had the highest clarity, and the PCA fusion image quantitative evaluation effect was the worst; (2) According to the applicability analysis of the fusion images based on different classification algorithms with features information extraction, it could be seen that the NNDiffuse fusion method was used for the fusion of GF-2 image data, and the classification of the fusion images was more suitable by using KNN or Random Trees classification algorithm.

RESUMEN Con el lanzamiento exitoso de los satélites de la serie GF de China es más importante estudiar la calidad de los datos de imagen, la adaptabilidad del método de procesamiento y el método de extracción de información. Los datos pancromáticos y multiespectrales que se basan en los datos de imágenes GF-2 del satélite de teleobservación de alta resolución en el submetro chino, se fusionaron mediante PCA, Pansharp, Gram-Schmidt y NNDiffuse. Luego, la calidad de las imágenes de fusión se evaluó de manera subjetiva y objetiva. Para evaluar la aplicabilidad de diferentes algoritmos de clasificación, se utilizó el algoritmo de clasificación orientado a objetos basado en el aprendizaje automático, como KNN, SVM y árboles aleatorios para clasificar las diferentes imágenes de fusión de GF-2. Los resultados mostraron que: (1) El mejor efecto visual de la imagen de fusión GF-2 fue la imagen de fusión Pansharp; los resultados de la evaluación cuantitativa mostraron que el brillo y la retención de información de la imagen de fusión Gram-Schmidt fueron los mejores, mientras que la imagen de fusión Pansharp tuvo la mayor correlación con la imagen multiespectral original; la imagen de fusión NNDiffuse tuvo la mayor claridad, y el efecto de evaluación cuantitativa de la imagen de fusión PCA fue el peor; (2) De acuerdo con el análisis de aplicabilidad de las imágenes de fusión basadas en diferentes algoritmos de clasificación con características de extracción de información, se pudo ver que se usó el método de fusión NNDiffuse para la fusión de datos de imágenes GF-2, y la clasificación de las imágenes de fusión fue más apropiada utilizando el algoritmo de clasificación KNN o Random Trees.