Plinius: visualization of costa rica's tectonic plates

Plinius:

Motion Visualization of Nicoya Peninsula in Costa Rica

Plinius:

Visualización del movimiento de la península de Nicoya

Ph.D. Franklin Hernández-Castro, Design & Implementation

Ph.D. Jorge Monge-Fallas, Data Cleaning

Ing. David Segura, Data mining

Ph.D. Franklin Hernández-Castro, Diseño e implementación

Ph.D. Jorge Monge-Fallas, Data Cleaning

Ing. David Segura, Minería de Datos

Costa Rica has an extreme seismic activity with more than 3000 earthquakes per year. The Costa Rica Volcanological and Seismological Observatory (Ovsicori) has data on more than 100,000 earthquakes in the last 35 years. Some of these earthquakes are caused by the friction of two or more tectonic plates.

This project visualizes in a three-dimensional environment these points of origin of the earthquakes revealing for the first time the shape of the tectonic plates in a three-dimensional environment.

Costa Rica tiene una actividad sísmica muy fuerte con más de 3000 sismos por año. el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica (Ovsicori) tiene los datos de más de cien mil terremotos en los últimos 35 años. Parte de estos terremotos son originados en el roce de dos o más placas tectónicas.

Este proyecto visualiza en un ambiente tridimensional estos puntos de origen de los terremotos revelando pro primera vez la forma de las placas tectónicas en un ambiente tridimensional.

The project

Costa Rica is in an exceptional zone of seismic activity, four tectonic plates, and the Panama Block influence the seismic behavior of our country. This situation generates an extraordinary seismic activity; the Volcanological and Seismological Observatory of Costa Rica (Ovsicori) has been monitoring this activity since 1984, with more than a hundred GPS stations.

El proyecto

Costa Rica está en una zona muy especial de actividad sísmica, 4 placas tectónicas y el Bloque de Panamá influencian el comportamiento sísmico de nuestro país. Esta situación genera una actividad sísmica muy especial; el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica (Ovsicori), ha estado monitorizando esta actividad desde 1984, con más de un centenar de estaciones GPS.

Currently, the observatory has a database of more than one hundred thousand earthquakes duly recorded with their intensity, depth, position, etc.

The idea of developing the Plinius system was to visualize for the first time the geometry of the tectonic plates that are subduced under Costa Rica in three-dimensional form. As many earthquakes have their points of origin (hypocentres) in the friction of these plates if you visualize these points you can get a very accurate idea of how the plates interact in the depths of the earth's crust.

En la actualidad, el observatorio cuenta con una base de datos de más de cien mil terremotos debidamente registrados con sus características de intensidad, profundidad, posición, etc.

La idea de desarrollar el sistema Plinius fue la de visualizar por primera vez la geometría de las placas tectónicas que se subducen debajo de Costa Rica en forma tridimensional. Como muchos de los terremotos tienen sus puntos de origen (hipocentros) en el rozamiento de estas placas, si se visualizan estos puntos se puede tener una idea muy exacta de la forma en que las placas interactúan en las profundidades de la corteza terrestre.

State of the Art

Currently, this analysis is done by scientists with two-dimensional images that show the characteristics of earthquakes in the form of graphics codes. Colors and symbols are used to code intensities or depths and cross sections in the surface are used to reveal the shape that is subduced from one plate to another. The figure shows cuts showing how the Coconut Plate subducts in the North American Plate, this type of analysis is called "seismic profiling" and is widely used by seismologists.

Estado del Arte

Actualmente este análisis lo hacen los científicos con imágenes bidimensionales que muestran las características de los terremotos en forma de codificación gráfica. Se usan colores y símbolos para codificar intensidades o profundidades y cortes en la superficie para mostrar la forma que se se subduce una placa en otra. En la figura se muestra cortes que muestran como la Placa de Cocos se subduce en la Placa de Norteamérica, este tipo de análisis se llama “perfiles sísmicos” y es muy usado por los sismólogos.

3D environment

The project was built on the three-dimensional data visualization environment that iReal has developed for these cases, in which the country's geography can be visualized with data taken from the work PRIAS has done (http://www.cenat.ac.cr/es/prias/) with the help of NASA. The figure shows two resolutions of this geography that the user can change in five levels.

Ambiente 3D

El proyecto se montó sobre el ambiente de visualización de datos tridimensionales que ha desarrollado iReal para estos casos, en el que se puede visualizar la geografía del país con datos tomados del trabajo que ha hecho PRIAS (http://www.cenat.ac.cr/es/prias/) con la ayuda de la NASA. En la figura se ven dos resoluciones de esta geografía que el usuario puede cambiar en cinco niveles.

The hypocentres

In this scenario of the country, more than 110,000 hypocentres were visualized, which can be coded with colors and sizes, showing their intensities or magnitudes.

Los hipocentros

En este escenario del país, se visualizaron más de 110.000 hipocentros, los cuales pueden ser codificados con colores y tamaños, mostrando las intensidades o magnitudes de los mismos.

Filters

Three types of filters were implemented to analyze hypocentres better:

1. Filter by date

2. Filter by magnitude

3. Filter by depth

Each of these filters is a double slider in which you can limit a range of intensity, magnitude or depth to analyze separately.

For example, the depth filter is critical because earthquakes can be divided into two categories, surface ones (less than 35 km) that are caused by volcanoes or local faults, or depth ones that are often caused by friction between tectonic plates. In this way, filtering the hypocentres at less than 35 km of depth you have the local earthquake clusters, so you can see how volcanoes or local faults cause of many of them. The figure shows how volcanoes such as Turrialba, Irazú, and Poas, as well as areas such as Puriscal or Jacó, generate their seismic swarms on the surface.

Filtros

Para analizar mejor los hipocentros se implementaron tres tipos de filtros:

1. Filtro por intensidad

2. filtro por magnitud

3. Filtro por profundidad

Cada uno de estos filtros es un slider doble en el que se puede acotar un rango de intensidad, magnitud o profundidad para analizar por separado.

Por ejemplo el filtro de profundidad, es muy importante pues los terremotos se pueden dividir por ejemplo en dos categorías los superficiales (de menos de 35 km) que son causados por volcanes o fallas locales, o los de profundidad que a menudo son causados por el roce entre las placas tectónicas. De esta forma, filtrando los hipocentros a menos de 35 km de profundidad se tienen los cúmulos de terremotos locales, se ve claramente entonces, como los volcanes o las fallas locales son la causa de muchos de ellos. En la figura se ve como volcanes como el Turriabla,, el Irazú y el Poas, así como áreas como Puriscal o Jacó, generan sus propios enjambres sísmicos a nivel superficial.

Using this same filter but oppositely, that is to say, visualizing only the earthquakes that originate beyond 35 km we obtain the three-dimensional geometry of the subduction zones, since most of these events are caused by the friction between tectonic plates.

Usando este mismo filtro pero de manera inversa, es decir visualizando solo los terremotos que se originan más allá de los 35 km obtenemos la geometría tridimensional de las zonas de subducción, pues la mayoría de estos eventos son ocasionados por los roces entre placas tectónicas.

Seismic profiles

As seen in the first figures of this page, scientists like to make profiles in which they define a section of geography and the hypocentres located in that area are analyzed.

Plinius was implemented to be able to make these profiles in any direction or width of the country area. With this technique it is possible to remove from view the data that are before and after the field, being able to concentrate on only the region of interest. This filter possibility is mainly used to view cross-sections of the subduction zones of one tectonic plate under another.

Perfiles sísmicos

Como se ve en las primeras figuras de esta página, los científicos gustan de hacer perfiles en los que se define una sección de corte de la geografía y se analizan los hipocentros localizados en esa zona.

Plinius se implementó para poder hacer estos perfiles en cualquier dirección o ancho del área del país. Con esta técnica se consigue eliminar de la vista los datos que están antes y después de la zona, pudiendo concentrarse en solo la zona de interés. Esto se usa especialmente para ver cortes transversales de las zonas de subducción de una placa tectónica debajo de otra.

The cylindrical filter.

as center and radius and Plinius filters the hypocenters within the area generating a cylinder. This feature is especially useful for analyzing seismic swarms, such as those produced by volcanoes.

El filtro cilíndrico.

Como una petición expresa de los científicos se implementó un filtro más, el filtro cilíndrico. En este caso, se definen dos puntos uno como centro y otro como radio y Plinius filtra los hipocentros dentro del área generando un cilindro. Esta característica es especialmente útil para analizar enjambres sísmicos, como en el caso de los generadas por volcanes.

Other pictures / Otras imágenes.

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Hernández-Castro, Franklin, and Jorge Monge-Fallas. "Visualizador 3D de la geografía de Costa Rica." Revista Tecnología en Marcha 29.8 (2016): 77-85

Hernández-Castro, Franklin, and Jorge Monge-Fallas. "Navigation Sphere: Optimizing Virtual Sphere for Terrains Analyses" Ponte, International Journal of Sciences and Research 01.7 (2018): 25-36 (doi: 10.21506/j.ponte.2018.7.3)

Hernández-Castro, Franklin, and Jorge Monge-Fallas. "An Intituive 3D Interface for Defining Seismic Profiles by Plinius" Ponte, International Journal of Sciences and Research 01.4 (2018): 88-95 (DOI: 10.21506/j.ponte.2018.4.9)

prof. dr. franklin hernández-castro, ph.d.