GEOLOGICA CARPATHICA, 49, 1, BRATISLAVA, FEBRUARY 1998

57–60

ELECTROMAGNETIC VARIATIONS ASSOCIATED

WITH THE SEISMICITY OF THE FRONTAL HELLENIC ARC

KONSTANTINOS  NOMIKOS

1 

and  FILIPPOS  VALLIANATOS

2*

1 

Technological Educational Institute of Athens, Greece

2 

Technological Educational Institute of Crete, Chania, Crete, Greece

(Manuscript received March 18, 1997; accepted in revised form December 11, 1997)

Abstract: In the present paper we report the results of almost three years of measurements of the electromagnetic

variations in 3 and 10 kHz, 41 and 53 MHz. The data are collected using a telemetric network installed along the island

of Crete, i.e. in the central segment of the South Hellenic arc. The experiment indicates that electromagnetic perturba-

tions  occur  prior  to  seismic  activity  and  supports  previous  observations  that  the  time  sequence  of  the  variations

appears in an invariant pattern.

Key words: seismoelectromagnetism, Greece, Hellenic arc.

Introduction

A  number  of  electromagnetic  phenomena  associated  with

earthquakes have been reported in recent time in different fre-

quency  ranges.  There  are  slow  magnetic  field  variations

which are claimed as a useful tool for earthquake prediction

(Shapiro et al. 1994). Ultra low frequency (ULF) electromag-

netic  emissions  (0.01–10  Hz)  (Fraser-Smith  et  al.  1990),

ELF-VLF  electromagnetic  radiation  (0.1–100  kHz),  (Gokh-

berg et al. 1982; Fujinawa & Takahashi 1990; Nomikos et al.

1994) and HF emission (f>1 MHz) (Nomikos et al. 1997) are

also associated with earthquakes.

In  order  to  study  the  aforementioned  preseismic  electro-

magnetic phenomena, a telemetric system has been installed

on the island of Crete (South Aegean, Greece). Structurally,

our test area is linked with the frontal part of the central seg-

ment of the Hellenic arc. The south Aegean is an appropri-

ate  place  for  our  experimentation,  because  in  this  area  the

existence of shallow and intermediate depth seismicity has

long been recognized (Hatzfeld & Martin 1992).

The latter multipoint network records the earth’s electro-

magnetic  field  variations  in  four  field  stations  installed

along the island of Crete. In each field station, we measure,

using  tuned  loop  antennas,  the  two  horizontal  components

of  the  electromagnetic  field  variations,  in  low  frequencies

(LF),  i.e.  in  3  and  10 kHz.  Using  half-wavelength  dipoles

we measure high frequencies (HF), i.e. in 41 and 53 MHz.

The  central  station  communicates  with  a  datalogger  in  the

field  station  and  collects  the  data  through  a  standard  tele-

phone  line  (Fig. 1).  In  this  work  we  present  data  recorded

from the telemetric network during the time period from Oc-

tober 1992 to December 1995.

Instrumentation and data selection

For  the  observation  of  electromagnetic  variation  in  each

field station, the following instruments are used:

a)  Four  receivers  appropriate  for  measuring  the  electro-

magnetic field variations at 3 and 10 kHz into EW and NS

directions. These receivers are constructed using wide band

and  low  noise  amplifiers  and  switching  band-pass  filters

tuned by crystal oscillators. The final stage of the receiver is

an  RMS  to  DC  converter.  Thus,  the  output  V

out

  of  the  re-

ceiver is a DC voltage proportional to the power spectrum

density 

Φ

H 

of the magnetic field which excites the antenna

and is given by the expression

 V

out 

= 

ωµ

o

N

α

2 

Q

A

 G(

Φ

H

 

∆

f

F 

)

1/2

where N, 

α

 and

 

Q

A

 are the number of turns, the radius and

the  quality  factor  of  the  antenna,  respectively. 

∆

f

F

  is  the

bandwidth of the filter, G is the total gain of the system, 

µ

o

= 4

π

.10

-7

 H/m the magnetic permeabilitty of free space and

ω

 the angular frequency of the electromagnetic wave.

b)  Two  receivers  for  measuring  the  electric  field  varia-

tions at 41 MHz and 53 MHz. The receivers are constructed

using  double  supper  heterodyne  technology  and  the  output

in each of them is a DC voltage which is proportional to the

Fig. 1. Instrumentation arrangement of the telemetric system.

* Corresponding author: F. Vallianatos, 111 Homirov Str., Moschato 18 345, Athens,

   Greece, E-mail: fvallian@teiath.gr

58                                                                                 NOMIKOS

 

and VALLIANATOS

electric  field  which  appears  on  the  antenna.  The  anten-

nas  used  for  these  very  high  frequencies  are  horizontal

half-wavelength  dipoles  tuned  at  the  above  frequencies.

c) a datalogger that is the main instrument for reading the

analog  information  from  the  electromagnetic  receivers.  The

sampling rate was taken on a channel basis every second, and

the average value of 60 samples for each channel saved in the

final memory. The signal from the field station was transmit-

ted through a telephone line to the Central one (Fig. 1).

We would like to point out that the most crucial point in

our experiment was to determine noise free observation fre-

quencies. A number of transmitting stations radiate electro-

magnetic signals at almost all frequencies over and around

the island of Crete. To make sure that the observation fre-

quencies  were  silent,  they  were  checked  using  a  radio  re-

ceiver, for several months. We emphasize that a criterion for

the selection of an electromagnetic variation as a preseismic

signal, associated with an event of magnitude Ms approxi-

matly grater than 5.0, should be its existence in both compo-

nents simultaneously, otherwise they could be artificial in-

terference.  Any  interference  from  mobile  transmitters  at

these two frequencies obviously will produce spikes on the

recordings for at most a few minutes and in the specific fre-

quency of the transmitter and not simultaneously in both of

them. Furthermore, in order to localize the anomalous pat-

tern, artificial intelligence techniques have recently applied

(Yalouris et al. 1996). Among other criteria the latter tech-

nique  is  checking  the  change  with  time  of  the  mean  level

and the sampling variance of the background noise.

Observational results

Recording of the electromagnetic variations started in Oc-

tober 1992.

We proceed now to the presentation of the recordings ob-

tained from October 1992 to December 1995. Table 1 shows

all  the  earthquakes  with  Ms  magnitude  greater  than  5  in

the  vicinity  of  Crete  (latitude:  34–37,  longitude:  22–28)

during  the  above  time  window.  The  stations  of  our  net-

work  and  the  frequencies  in  which  electromagnetic  emis-

sions  were  observed  prior  to  earthquakes  are  shown  in

Table 1.  Fig. 2  shows  the  earthquakes  during  the  afore-

mentioned  period.  Furthermore,  the  field  stations  of  the

telemetric  network  indicated  by  their  initial  (i.e.  N  =  Ni-

pos, I = Ierapetra, H = Heraklion and D = Drapanias).

Figures 3 and 4 show typical recordings of an electromag-

netic variation prior an earthquake.

In a recent paper the time sequence of seismoelectromag-

netic events studied constructed time charts (Nomikos et al.

1997).  The  conclusion  was  that  a  sequence  of  electromag-

netic events which precede an earthquake exists. In all the

examined  cases  the  LF  variations  (i.e.  in  3  and  10  kHz)

Fig. 2. Map showing the sites of the stations of the telemetric net-

work and the distribution of epicentres of earthquakes with Ms>5

in  the  vicinity  of  Crete,  from  October,  1992  to  December,  1995

(see Table 1).

Table 1: List of the earthquakes with electromagnetic variations collected at the stations of the network. The position of the observation

station inticated by its initial i.e. N = Nipos, I = Ierapetra, H = Heraklion and D = Drapania.

No

Date

Time

Lat.

Long.

Ms

H

3

10

41

53

REM

km

kHz

MHz

Stations

1

1992

NOV 21

05:07:19.4

35.58

22.39

6.0

70

NDH

NDH

NDH

NDH

2

1993

JAN 27

23:41: 1.0

36.02

22.36

5.4

120

N

N

ND

ND

3

1993

JUN  1

09:45:25.2

34.07

26.25

5.2

1

—

—

—

—

4

1993

JUN 29

04:37:12.5

35.39

27.07

5.5

1

I

I

ND

ND

5

1993

AUG 18

12:09:26.1

35.15

26.11

5.2

72

NDI

NDI

NDH

NDH

6

1993

OCT  1

03:59:34.3

36.64

24.01

5.4

109

NHI

NHI

NDI

NDI

7

1994

MAY 23

06:46:17.3

35.48

24.70

6.0

66

NDI

NDI

ND

ND

8

1995

FEB  3

22:29:14.1

34.35

24.97

5.0

38

HN

HN

-

-

9

1995

FEB 16

13:02:22.5

34.46

26.59

5.0

28

N

N

-

-

H,D,I=NOP

10

1995

MAR 7

03:58:11.9

36.90

27.67

5.0

5

HN

HN

HN

HN

D,N=NOP

11

1995

MAR 30

18:17:17.1

34.33

24.61

5.1

1

HI

HI

HI

HI

D,N=NOP

12

1995

APR 5

07:52:13.8

34.53

27.88

5.0

35

HI

HI

-

-

13

1995

JUL 29

07:59:35.9

34.46

27.03

5.0

1

DNH

DNH

DNI

DNI

14

1995

AUG 22

05:34:17.7

36.62

26.74

5.4

179

N

N

N

N

15

1995

SEP19

01:48:10.1

34.56

26.25

5.0

1

DNHI

DNHI

I

I

16

1995

NOV 30

11:49:35.4

36.60

27.14

5.3

136

HNI

HNI

-

-

17

1995

DEC 7

18:00:58.3

34.97

24.17

5.1

22

N

N

NHI

NHI

D=NOP

18

1995

DEC 10

03:27:53.0

34.93

24.17

5.4

24

N

N

NHI

NHI

D=NOP

19

1995

DEC  18

19:28:11.9

35.54

27.73

5.1

1

NI

NI

I

I

NOP= Station not in operation during this period

ELECTROMAGNETIC VARIATIONS ASSOCIATED WITH THE SEISMICITY                                            59

always  precede  the  HF  variations  (i.e.  in  41  and  53

MHz).

In  the  present  paper  we  will  discuss  more  specificly  the

electromagnetic  variations  which  preceded  the  November

21st  1992  and  May  23rd  1994  intermediate  depth  earth-

quakes which were the strongest in magnitude events in the

study territory.

The first one on November 21st 1992 with Ms 6, epicen-

ter at (35.9

o

 N, 22.5

o

 E) and focal depth 70 km belongs to

the  seismogenic  source  zone  1A,  as  identified  by  Papaza-

chos (1990); this source region lies under the eastern part of

Peloponnese but extends to the north up to 39

o

 latitude and

to the south up to the western corner of the island of Crete.

The second earthquake, on May 23st 1994 with magnitude

Fig. 3. Electromagnetic variation at 3 and 10 KHz in EW direction, recorded prior to November 21st 1992 earthquake.

Ms = 6,  epicenter  at  (35.48

o

  N,  24.70

o

  E)  and  focal  depth

66 km  belongs  to  source  volume  1B,  which  lies  under  the

island of Crete (see Fig. 1 of Kiratzi & Papazachos 1995).

a) Electromagnetic variations prior to the November 21st

1992 earthquake

(i)  At  the  low  frequencies,  3  and  10  kHz,  on  November

17th 1992 and at 13:15 GMT, for a time period of 15 min-

utes a simultaneous electromagnetic variation was recorded,

at Drapania, Nipos and Heraklion and in both measuring di-

rections. The strongest signal appeared in Heraklion and the

weakest  in  Drapania.  Ierapetra  being  the  furthest  from  the

epicenter, did not record any signal.

Fig. 4. Electromagnetic variation at 41 and 53 MHz, recorded prior to November 21st 1992 earthquake.

60                                                                                 NOMIKOS

 

and VALLIANATOS

Fig. 5. Time chart depicting the electromagnetic variations in as-

sociation  to  the  Ms  =  6  earthquakes  of  November  21st  1992  and

May 23rd 1994 to December 1995. Both of them have epicenters

in the vicinity of Crete (see Fig. 1). The arrows indicate the earth-

quake events.

(ii)  At  high  frequencies  the  electromagnetic  variations

started mainly from 1:00 GMT of November 19th 1992 and

continued  until  22:00  GMT  of  the  same  day,  even  though

slight variations did continue through the following day. It

can be seen that the strongest signals were recorded at the

nearest (to the epicenter) station of Drapania.

b) Electromagnetic variations prior to the May 23rd 1994

earthquake

(i) At the low frequencies, 3 and 10 kHz, on May 17th 1994

and  at  6:00  to  16:00  GMT  a  simultaneous  electromagnetic

variations was recorded, at Drapania, Nipos and Ierapetra and

in  both  measuring  directions.  The  strongest  signal  appeared

in Drapania and the weakest in Ierapetra. The strange thing is

that station Heraklion being quite close to the epicenter, did

not record any signal, either at low or high frequencies.

(ii)  At  high  frequencies  the  electromagnetic  variations

were detected at 14:00 to 18:00 GMT of May 22nd 1994 at

Drapanias and Nipos stations.

In Fig. 4 we see the time charts describing the sequence of

electromagnetic events. We observe the already reported time

pattern, i.e. LF variations – HF variations – Earthquake event.

Conclusion

In the present contribution recordings of the electromag-

netic anomalies that precede to earthquakes in the time win-

dow October 1992–December 1995 are presented.

The experimental results indicate the presence of electro-

magnetic variations in the frequencies of 3 and 10 kHz, 41

and  53 MHz,  associated  with  shallow  and  intermediate

depth earthquakes in the vicinity of Crete Island (South Ae-

gean—Greece).

The study of the time sequence of seismoelectromagnetic

events the constructed time charts shows that a sequence of

electromagnetic events that precede the earthquakes exists.

The  recently  collected  data  strengthen  the  conclusion  that

the  electromagnetic  variations  appears  to  follow  an  invari-

ant time pattern (i.e. LF variations – HF variations – Earth-

quake event). The latter pattern suggests that the appearance

of HF variations as follows of an LF anomaly observation is

a strong indicator that an earthquake process is in the final

stage of preparation.

References

Fraser-Smith A.C., Bernardi P.R., McGill P.R., Ladd M.E., Halli-

well  B.A.  &  Villard  O.G.,  1990:  Low-frequency  magnetic

field measurements near the epicenter of the 7.1 Loma Prieta

earthquake, Geophys. Res.Lett., 17, 1465–1467.

Fujinawa Y. & Takahashi K., 1990: Emission of electromagnetic

radiation  preceding  the  Ito  seismic  swarm  of  1989.  Nature,

347, 376–378.

Gokhberg  M.B.,  Morgounov  V.A.,  Yoshino  T.,  &  Tomozawa  I.,

1982:  Experimental  measurement  of  electromagnetic  emis-

sions  possibly  related  to  earthquakes  in  Japan.  Journal  of

Geophysical Research, 87, B9, 7824–7828.

Hatzfeld  D.  &  Martin  C.,  1992:  The  Aegean  intermediate  depth

seismicity defined by ISC data. Earth Planet. Sci. Lett., 113,

267–275.

Kiratzi A. & Papazachos C., 1995: Active deformation of the shal-

low  part  of  the  subducting  lithospheric  slab  in  the  southern

Aegean. J. Geodynamics, 19, 65–78.

Nomikos K., Bakatsakis M., Paterakis D., Kogionis T., Sideris S.,

Zaxaropoulos B., Cristou C., Kaliakatsos J. & Vallianatos F.,

1994: Development of a telemetric system for observation of

radioemission associated with earthquakes in Crete island. In:

Proceedings  of  the  XXIV  General  Assembly,  European  Seis-

mological Commission,vol. II 1112–1120, Athens, Greece.

Nomikos K., Vallianatos F., Kaliakatsos J.,Sideris S. & Bakatsakis

M., 1997: Latest aspects of telluric and electromagnetic vari-

ations  associated  with  shallow  and  intermediate  depth  earth-

quakes in South Aegean. Annali di Geophysica (in press).

Papazachos  B.,  1990:  Seismicity  of  the  Aegean  and  surrounding

area. Tectonophysics, 178, 287–308.

Shapiro V.A., Muminov V. & Abtullabecov K.N., 1994: High pre-

cision  magnetometry  for  earthquake  prediction  in  Uzbeki-

stan:  Ninety-  one  forecasts  between  1982  and  1982.  In:

Electromagnetic Phenomena related to Earthquake prediction,

Terra Pub., Tokyo, Japan.

Yalouris C., Vallianatos F., Nomikos K. & Sideridis A., 1996: Rec-

ognition of preseismic electromagnetic anomaly using Artifi-

cial  Inteligence  techniques.  1

st

  Congress  of  the  Balkan

Geophysical Society, Athens, Greece, 84–85.