Earthquake magnitude calculation without saturation from the scaling of peak ground displacement

Abstract

GPS instruments are noninertial and directly measure displacements with respect to a global reference frame, while inertial sensors are affected by systematic offsets—primarily tilting—that adversely impact integration to displacement. We study the magnitude scaling properties of peak ground displacement (PGD) from high-rate GPS networks at near-source to regional distances (~10–1000 km), from earthquakes between Mw6 and 9. We conclude that real-time GPS seismic waveforms can be used to rapidly determine magnitude, typically within the first minute of rupture initiation and in many cases before the rupture is complete. While slower than earthquake early warning methods that rely on the first few seconds of P wave arrival, our approach does not suffer from the saturation effects experienced with seismic sensors at large magnitudes. Rapid magnitude estimation is useful for generating rapid earthquake source models, tsunami prediction, and ground motion studies that require accurate information on long-period displacements.

Los instrumentos GPS no son inerciales y miden directamente los desplazamientos con respecto a un marco de referencia global, mientras que los sensores inerciales se ven afectados por compensaciones sistemáticas, principalmente la inclinación, que impactan negativamente en la integración con el desplazamiento. Estudiamos las propiedades de escalamiento de magnitud del desplazamiento máximo del suelo (PGD) de redes GPS de alta velocidad en distancias cercanas a la fuente a distancias regionales (~ 10-1000 km), de terremotos entre Mw6 y 9. Concluimos que las formas de onda sísmica GPS en tiempo real se puede utilizar para determinar rápidamente la magnitud, por lo general dentro del primer minuto del inicio de la ruptura y en muchos casos antes de que se complete la ruptura. Si bien es más lento que los métodos de alerta temprana de terremotos que se basan en los primeros segundos de la llegada de la onda P, nuestro enfoque no sufre los efectos de saturación experimentados con los sensores sísmicos de grandes magnitudes. La estimación rápida de la magnitud es útil para generar modelos rápidos de fuentes de terremotos, predicción de tsunamis y estudios de movimiento del suelo que requieren información precisa sobre desplazamientos de períodos prolongados.

Os instrumentos de GPS não são inerciais e medem diretamente os deslocamentos em relação a um referencial global, enquanto os sensores inerciais são afetados por deslocamentos sistemáticos - principalmente inclinação - que impactam negativamente a integração ao deslocamento. Nós estudamos as propriedades de escala de magnitude do deslocamento do solo de pico (PGD) de redes GPS de alta taxa na fonte próxima a distâncias regionais (~ 10–1000 km), de terremotos entre Mw6 e 9. Concluímos que formas de onda sísmica de GPS em tempo real pode ser usado para determinar rapidamente a magnitude, normalmente no primeiro minuto do início da ruptura e, em muitos casos, antes que a ruptura seja concluída. Embora mais lento do que os métodos de alerta precoce de terremoto que dependem dos primeiros segundos da chegada da onda P, nossa abordagem não sofre os efeitos de saturação experimentados com sensores sísmicos em grandes magnitudes. A estimativa rápida de magnitude é útil para gerar modelos rápidos de fontes de terremotos, previsão de tsunami e estudos de movimento do solo que requerem informações precisas sobre deslocamentos de longo período.