Statistical and spatial evaluation of mining-induced seismicity using GIS

This study investigates the seismicity of North Rhine-Westphalia in western Germany, focusing on the tectonically active Lower Rhine Embayment and the surrounding Rhenish lignite mining district. It aims to characterize spatial, temporal, and magnitude-related patterns of seismicity and to assess the influence of both natural and anthropogenic factors. Methodology. A catalog of 626 earthquake events recorded between 1970 and 2026 was obtained from an open-access database, including information on earthquake magnitude, focal depth, geographic location, and occurrence time. The study applies descriptive statistical analysis, GIS-based spatial statistics, and frequency-magnitude analysis. Nearest neighbor analysis and kernel density estimation were used to examine spatial patterns, while temporal variations and the Gutenberg-Richter relationship were analyzed to assess seismic trends. Results. The findings indicate that seismic activity in the study area is dominated by lowto-moderate magnitude earthquakes, with a mean magnitude of 2.73 and with focal depths predominantly within the upper crust. Most events occur at depths between 0 and 15 km, reflecting predominantly shallow seismic processes. Spatial analysis reveals a clustered distribution of earthquake epicenters, with a nearest neighbor index of 0.73, and kernel density estimation identifies several zones of elevated seismic activity. Temporal analysis reveals fluctuations in earthquake occurrence, alternating between periods of increased and reduced activity. The Gutenberg-Richter frequency-magnitude relationship exhibits a clear linear trend with a b-value of 1.019, indicating a predominance of low-magnitude events. Originality. This study integrates long-term seismic records with GIS-based spatial statistical methods to provide a comprehensive assessment of seismicity in North RhineWestphalia, highlighting the combined effects of tectonic structures and mining-induced activities. Practical Significance. The results contribute to a better understanding of regional seismic hazards and provide valuable insights for risk assessment, land-use planning, and the management of mining-related seismic hazards.

Дане дослідження присвячене аналізу сейсмічної поведінки регіону Північний Рейн-Вестфалія (західна Німеччина) з акцентом на тектонічно активну Нижньорейнську западину та прилеглий Рейнський буровугільний гірничопромисловий район. Основною метою є характеристика просторових, часових і магнітудних закономірностей сейсмічності, а такожоцінка впливу як природних, так і антропогенних чинників. Методика. Для дослідження використано каталог із 626 землетрусів, зареєстрованих у період з 1970 по 2026 рік, отриманий з відкритої бази даних. Набір даних включає інформацію про магнітуду, глибину землетрусу, географічне положення та час землетрусу. У роботі застосовано методи статистики та просторового аналізу з використанням геоінформаційних систем (ГІС), а також аналіз «частота-магнітуда». Для дослідження просторових закономірностей використано аналіз nearest neighborhood та kernel density, тоді як часові зміни та співвідношення Гутенберга-Ріхтера застосовано для оцінки сейсмічних тенденцій. Результати. Отримані результати свідчать, що сейсмічність досліджуваного регіону характеризується переважанням землетрусів малої та середньої магнітуди із середнім значенням 2.73, при цьому осередки переважно зосереджені у верхній частині земної кори. Більшість землетрсів відбувається на глибинах від 0 до 15 км, що вказує на переважно неглибокі сейсмічні процеси. Просторовий аналіз показав кластеризований розподіл епіцентрів землетрусів (індекс nearest neighborhood 0.73), а kernel density дозволила виділити декілька зон підвищеної сейсмічної активності. Часовий аналіз демонструє нерівномірність сейсмічної активності з періодами її зростання та зниження. Співвідношення Гутенберга-Ріхтера характеризується чіткою лінійною залежністю з b-значенням 1.019, що свідчить про домінування землетрусів малої магнітуди. Наукова новизна. У дослідженні поєднано довгострокові сейсмічні спостереження з методами просторового аналізу на основі ГІС, що дозволило комплексно оцінити сейсмічність регіону та виявити взаємодію тектонічних структур і техногенних факторів. Практична значущість. Отримані результати сприяють кращому розуміннюрегіональних сейсмічних небезпек і можуть бути використані для оцінки ризиків, просторового планування територій та управління сейсмічними ризиками, пов’язаними з гірничоюдіяльністю.