TY  - THES
A1  - Pilz, Marco
T1  - A comparison of proxies for seismic site conditions and amplification for the large urban area of Santiago de Chile
T1  - Ein Vergleich seismischer Parameter für die Standort- und Verstärkungsabschätzung im Stadtgebiet von Santiago de Chile
N2  - Situated in an active tectonic region, Santiago de Chile, the country´s capital with more than six million inhabitants, faces tremendous earthquake hazard. Macroseismic data for the 1985 Valparaiso and the 2010 Maule events show large variations in the distribution of damage to buildings within short distances indicating strong influence of local sediments and the shape of the sediment-bedrock interface on ground motion. Therefore, a temporary seismic network was installed in the urban area for recording earthquake activity, and a study was carried out aiming to estimate site amplification derived from earthquake data and ambient noise. The analysis of earthquake data shows significant dependence on the local geological structure with regards to amplitude and duration. Moreover, the analysis of noise spectral ratios shows that they can provide a lower bound in amplitude for site amplification and, since no variability in terms of time and amplitude is observed, that it is possible to map the fundamental resonance frequency of the soil for a 26 km x 12 km area in the northern part of the Santiago de Chile basin. By inverting the noise spectral rations, local shear wave velocity profiles could be derived under the constraint of the thickness of the sedimentary cover which had previously been determined by gravimetric measurements. The resulting 3D model was derived by interpolation between the single shear wave velocity profiles and shows locally good agreement with the few existing velocity profile data, but allows the entire area, as well as deeper parts of the basin, to be represented in greater detail. The wealth of available data allowed further to check if any correlation between the shear wave velocity in the uppermost 30 m (vs30) and the slope of topography, a new technique recently proposed by Wald and Allen (2007), exists on a local scale. While one lithology might provide a greater scatter in the velocity values for the investigated area, almost no correlation between topographic gradient and calculated vs30 exists, whereas a better link is found between vs30 and the local geology. When comparing the vs30 distribution with the MSK intensities for the 1985 Valparaiso event it becomes clear that high intensities are found where the expected vs30 values are low and over a thick sedimentary cover. Although this evidence cannot be generalized for all possible earthquakes, it indicates the influence of site effects modifying the ground motion when earthquakes occur well outside of the Santiago basin. Using the attained knowledge on the basin characteristics, simulations of strong ground motion within the Santiago Metropolitan area were carried out by means of the spectral element technique. The simulation of a regional event, which has also been recorded by a dense network installed in the city of Santiago for recording aftershock activity following the 27 February 2010 Maule earthquake, shows that the model is capable to realistically calculate ground motion in terms of amplitude, duration, and frequency and, moreover, that the surface topography and the shape of the sediment bedrock interface strongly modify ground motion in the Santiago basin. An examination on the dependency of ground motion on the hypocenter location for a hypothetical event occurring along the active San Ramón fault, which is crossing the eastern outskirts of the city, shows that the unfavorable interaction between fault rupture, radiation mechanism, and complex geological conditions in the near-field may give rise to large values of peak ground velocity and therefore considerably increase the level of seismic risk for Santiago de Chile.
N2  - Aufgrund ihrer Lage in einem tektonisch aktiven Gebiet ist Santiago de Chile, die Hauptstadt des Landes mit mehr als sechs Millionen Einwohnern, einer großen Erdbebengefährdung ausgesetzt. Darüberhinaus zeigen makroseismische Daten für das 1985 Valparaiso- und das 2010 Maule-Erdbeben eine räumlich unterschiedliche Verteilung der an den Gebäuden festgestellten Schäden; dies weist auf einen starken Einfluss der unterliegenden Sedimentschichten und der Gestalt der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein auf die Bodenbewegung hin. Zu diesem Zweck wurde in der Stadt ein seismisches Netzwerk für die Aufzeichnung der Bodenbewegung installiert, um die auftretende Untergrundverstärkung mittels Erdbebendaten und seismischem Rauschen abzuschätzen. Dabei zeigt sich für die Erdbebendaten eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur des Untergrunds hinsichtlich der Amplitude der Erschütterung und ihrer Dauer. Die Untersuchung der aus seismischem Rauschen gewonnenen horizontal-zu-vertikal-(H/V) Spektral-verhältnisse zeigt, dass diese Ergebnisse nur einen unteren Grenzwert für die Bodenverstärkung liefern können. Weil jedoch andererseits keine zeitliche Veränderung bei der Gestalt dieser Spektralverhältnisse festgestellt werden konnte, erlauben die Ergebnisse ferner, die Resonanzfrequenz des Untergrundes für ein 26 km x 12 km großes Gebiet im Nordteil der Stadt zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über die Dicke der Sedimentschichten, welche im vorhinein schon durch gravimetrische Messungen bestimmt worden war, konnten nach Inversion der H/V-Spektralverhältnisse lokale Scherwellengeschwindigkeitsprofile und nach Interpolation zwischen den einzelnen Profilen ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Darüberhinaus wurde mit den verfügbaren Daten untersucht, ob auf lokaler Ebene ein Zusammenhang zwischen der mittleren Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (vs30) und dem Gefälle existiert, ein Verfahren, welches kürzlich von Wald und Allen (2007) vorgestellt wurde. Da für jede lithologische Einheit eine starke Streuung für die seismischen Geschwindigkeiten gefunden wurde, konnte kein Zusammenhang zwischen dem Gefälle und vs30 hergestellt werden; demgegenüber besteht zumindest ein tendenzieller Zusammenhang zwischen vs30 und der unterliegenden Geologie. Ein Vergleich der Verteilung von vs30 mit den MKS-Intensitäten für das 1985 Valparaiso-Erdbeben in Santiago zeigt, dass hohe Intensitätswerte vor allem in Bereichen geringer vs30-Werte und dicker Sedimentschichten auftraten. Weiterhin ermöglichte die Kenntnis über das Sedimentbeckens Simulationen der Bodenbewegung mittels eines spektralen-Elemente-Verfahrens. Die Simulation eines regionalen Erdbebens, welches auch von einem dichten seismischen Netzwerk aufgezeichnet wurde, das im Stadtgebiet von Santiago infolge des Maule-Erdbebens am 27. Februar 2010 installiert wurde, zeigt, dass das Modell des Sedimentbeckens realistische Berechnungen hinsichtlich Amplitude, Dauer und Frequenz erlaubt und die ausgeprägte Topographie in Verbindung mit der Form der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein starken Einfluss auf die Bodenbewegung haben. Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der Bodenerschütterung von der Position des Hypozentrums für ein hypothetisches Erdbeben an der San Ramón-Verwerfung, welche die östlichen Vororte der Stadt kreuzt, zeigen, dass die ungünstige Wechselwirkung zwischen dem Verlauf des Bruchs, der Abstrahlung der Energie und der komplexen geologischen Gegebenheiten hohe Werte bei der maximalen Bodengeschwindigkeit erzeugen kann. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme des seismischen Risikos für Santiago de Chile.
KW  - Standorteffekte
KW  - seismisches Rauschen
KW  - Sedimentbecken
KW  - Simulation
KW  - site effects
KW  - seismic noise
KW  - sedimentary basin
KW  - simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52961
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böniger, Urs
T1  - Attributes and their potential to analyze and interpret 3D GPR data
T1  - Attribute und deren Potenzial zur Analyse und Interpretation von 3D Georadardaten
N2  - Based on technological advances made within the past decades, ground-penetrating radar (GPR) has become a well-established, non-destructive subsurface imaging technique. Catalyzed by recent demands for high-resolution, near-surface imaging (e.g., the detection of unexploded ordnances and subsurface utilities, or hydrological investigations), the quality of today's GPR-based, near-surface images has significantly matured. At the same time, the analysis of oil and gas related reflection seismic data sets has experienced significant advances. Considering the sensitivity of attribute analysis with respect to data positioning in general, and multi-trace attributes in particular, trace positioning accuracy is of major importance for the success of attribute-based analysis flows. Therefore, to study the feasibility of GPR-based attribute analyses, I first developed and evaluated a real-time GPR surveying setup based on a modern tracking total station (TTS). The combination of current GPR systems capability of fusing global positioning system (GPS) and geophysical data in real-time, the ability of modern TTS systems to generate a GPS-like positional output and wireless data transmission using radio modems results in a flexible and robust surveying setup. To elaborate the feasibility of this setup, I studied the major limitations of such an approach: system cross-talk and data delays known as latencies. Experimental studies have shown that when a minimal distance of ~5 m between the GPR and the TTS system is considered, the signal-to-noise ratio of the acquired GPR data using radio communication equals the one without radio communication. To address the limitations imposed by system latencies, inherent to all real-time data fusion approaches, I developed a novel correction (calibration) strategy to assess the gross system latency and to correct for it. This resulted in the centimeter trace accuracy required by high-frequency and/or three-dimensional (3D) GPR surveys. Having introduced this flexible high-precision surveying setup, I successfully demonstrated the application of attribute-based processing to GPR specific problems, which may differ significantly from the geological ones typically addressed by the oil and gas industry using seismic data. In this thesis, I concentrated on archaeological and subsurface utility problems, as they represent typical near-surface geophysical targets. Enhancing 3D archaeological GPR data sets using a dip-steered filtering approach, followed by calculation of coherency and similarity, allowed me to conduct subsurface interpretations far beyond those obtained by classical time-slice analyses. I could show that the incorporation of additional data sets (magnetic and topographic) and attributes derived from these data sets can further improve the interpretation. In a case study, such an approach revealed the complementary nature of the individual data sets and, for example, allowed conclusions about the source location of magnetic anomalies by concurrently analyzing GPR time/depth slices to be made. In addition to archaeological targets, subsurface utility detection and characterization is a steadily growing field of application for GPR. I developed a novel attribute called depolarization. Incorporation of geometrical and physical feature characteristics into the depolarization attribute allowed me to display the observed polarization phenomena efficiently. Geometrical enhancement makes use of an improved symmetry extraction algorithm based on Laplacian high-boosting, followed by a phase-based symmetry calculation using a two-dimensional (2D) log-Gabor filterbank decomposition of the data volume. To extract the physical information from the dual-component data set, I employed a sliding-window principle component analysis. The combination of the geometrically derived feature angle and the physically derived polarization angle allowed me to enhance the polarization characteristics of subsurface features. Ground-truth information obtained by excavations confirmed this interpretation. In the future, inclusion of cross-polarized antennae configurations into the processing scheme may further improve the quality of the depolarization attribute. In addition to polarization phenomena, the time-dependent frequency evolution of GPR signals might hold further information on the subsurface architecture and/or material properties. High-resolution, sparsity promoting decomposition approaches have recently had a significant impact on the image and signal processing community. In this thesis, I introduced a modified tree-based matching pursuit approach. Based on different synthetic examples, I showed that the modified tree-based pursuit approach clearly outperforms other commonly used time-frequency decomposition approaches with respect to both time and frequency resolutions. Apart from the investigation of tuning effects in GPR data, I also demonstrated the potential of high-resolution sparse decompositions for advanced data processing. Frequency modulation of individual atoms themselves allows to efficiently correct frequency attenuation effects and improve resolution based on shifting the average frequency level. GPR-based attribute analysis is still in its infancy. Considering the growing widespread realization of 3D GPR studies there will certainly be an increasing demand towards improved subsurface interpretations in the future. Similar to the assessment of quantitative reservoir properties through the combination of 3D seismic attribute volumes with sparse well-log information, parameter estimation in a combined manner represents another step in emphasizing the potential of attribute-driven GPR data analyses.
N2  - Geophysikalische Erkundungsmethoden haben in den vergangenen Jahrzehnten eine weite Verbreitung bei der zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes gefunden. Im Vergleich zur Vielzahl anderer existierender Verfahrenstypen ermöglicht das Georadar (auch als Ground Penetrating Radar bezeichnet) unter günstigen Standortbedingungen Untersuchungen mit der höchsten räumlichen Auflösung. Georadar zählt zu den elektromagnetischen (EM) Verfahren und beruht als Wellenverfahren auf der Ausbreitung von hochfrequenten EM-Wellen, das heisst deren Reflektion, Refraktion und Transmission im Untergrund. Während zweidimensionale Messstrategien bereits weit verbreitet sind, steigt gegenwärtig das Interesse an hochauflösenden, flächenhaften Messstrategien, die es erlauben, Untergrundstrukturen dreidimensional abzubilden. Ein dem Georadar prinzipiell ähnliches Verfahren ist die Reflexionsseismik, deren Hauptanwendung in der Lagerstättenerkundung liegt. Im Laufe des letzten Jahrzehnts führte der zunehmende Bedarf an neuen Öl- und Gaslagerstätten sowie die Notwendigkeit zur optimalen Nutzung existierender Reservoirs zu einer verstärkten Anwendung und Entwicklung sogenannter seismischer Attribute. Attribute repräsentieren ein Datenmaß, welches zu einer verbesserten visuellen Darstellung oder Quantifizierung von Dateneigenschaften führt die von Relevanz für die jeweilige Fragestellung sind. Trotz des Erfolgs von Attributanalysen bei reservoirbezogenen Anwendungen und der grundlegenden Ähnlichkeit von reflexionsseismischen und durch Georadar erhobenen Datensätzen haben attributbasierte Ansätze bisher nur eine geringe Verbreitung in der Georadargemeinschaft gefunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potential von Attributanalysen zur verbesserten Interpretation von Georadardaten zu untersuchen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Anwendungen aus der Archäologie und dem Ingenieurwesen. Der Erfolg von Attributen im Allgemeinen und von solchen mit Berücksichtigung von Nachbarschaftsbeziehungen im Speziellen steht in engem Zusammenhang mit der Genauigkeit, mit welcher die gemessenen Daten räumlich lokalisiert werden können. Vor der eigentlichen Attributuntersuchung wurden deshalb die Möglichkeiten zur kinematischen Positionierung in Echtzeit beim Georadarverfahren untersucht. Ich konnte zeigen, dass die Kombination von modernen selbstverfolgenden Totalstationen mit Georadarinstrumenten unter Verwendung von leistungsfähigen Funkmodems eine zentimetergenaue Positionierung ermöglicht. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die beiden potentiell limitierenden Faktoren - systeminduzierte Signalstöreffekte und Datenverzögerung (sogenannte Latenzzeiten) - vernachlässigt beziehungsweise korrigiert werden können. In der Archäologie ist die Untersuchung oberflächennaher Strukturen und deren räumlicher Gestalt wichtig zur Optimierung geplanter Grabungen. Das Georadar hat sich hierbei zu einem der wohl am meisten genutzten zerstörungsfreien geophysikalischen Verfahren entwickelt. Archäologische Georadardatensätze zeichnen sich jedoch oft durch eine hohe Komplexität aus, was mit der wiederholten anthropogenen Nutzung des oberflächennahen Untergrundes in Verbindung gebracht werden kann. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Verwendung zweier unterschiedlicher Attribute zur Beschreibung der Variabilität zwischen benachbarten Datenspuren eine deutlich verbesserte Interpretation in Bezug auf die Fragestellung ermöglicht. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass eine integrative Auswertung von mehreren Datensätzen (methodisch sowie bearbeitungstechnisch) zu einer fundierteren Interpretation führen kann, zum Beispiel bei komplementären Informationen der Datensätze. Im Ingenieurwesen stellen Beschädigungen oder Zerstörungen von Versorgungsleitungen im Untergrund eine große finanzielle Schadensquelle dar. Polarisationseffekte, das heisst Änderungen der Signalamplitude in Abhängigkeit von Akquisitions- sowie physikalischen Parametern stellen ein bekanntes Phänomen dar, welches in der Anwendung bisher jedoch kaum genutzt wird. In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie Polarisationseffekte zu einer verbesserten Interpretation verwendet werden können. Die Überführung von geometrischen und physikalischen Attributen in ein neues, so genanntes Depolarisationsattribut hat gezeigt, wie unterschiedliche Leitungstypen extrahiert und anhand ihrer Polarisationscharakteristika klassifiziert werden können. Weitere wichtige physikalische Charakteristika des Georadarwellenfeldes können mit dem Matching Pursuit-Verfahren untersucht werden. Dieses Verfahren hatte in den letzten Jahren einen großen Einfluss auf moderne Signal- und Bildverarbeitungsansätze. Matching Pursuit wurde in der Geophysik bis jetzt hauptsächlich zur hochauflösenden Zeit-Frequenzanalyse verwendet. Anhand eines modifizierten Tree-based Matching Pursuit Algorithmus habe ich demonstriert, welche weiterführenden Möglichkeiten solche Datenzerlegungen für die Bearbeitung und Interpretation von Georadardaten eröffnen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie moderne Vermessungstechniken und attributbasierte Analysestrategien genutzt werden können um dreidimensionale Daten effektiv und genau zu akquirieren beziehungsweise die resultierenden Datensätze effizient und verlässlich zu interpretieren.
KW  - Attributanalyse
KW  - Georadar
KW  - Bildbearbeitung
KW  - attribute analysis
KW  - ground penetrating radar
KW  - image processing
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50124
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scherler, Dirk
T1  - Climate variability and glacial dynamics in the Himalaya
T1  - Klimavariabilität und Gletscherdynamik im Himalaya
N2  - In den Hochgebirgen Asiens bedecken Gletscher eine Fläche von ungefähr 115,000 km² und ergeben damit, neben Grönland und der Antarktis, eine der größten Eisakkumulationen der Erde. Die Sensibilität der Gletscher gegenüber Klimaschwankungen macht sie zu wertvollen paläoklimatischen Archiven in Hochgebirgen, aber gleichzeitig auch anfällig gegenüber rezenter und zukünftiger globaler Erwärmung. Dies kann vor allem in dicht besiedelten Gebieten Süd-, Ost- und Zentralasiens zu großen Problem führen, in denen Gletscher- und Schnee-Schmelzwässer eine wichtige Ressource für Landwirtschaft und Stromerzeugung darstellen. Eine erfolgreiche Prognose des Gletscherverhaltens in Reaktion auf den Klimawandel und die Minderung der sozioökonomischen Auswirkungen erfordert fundierte Kenntnisse der klimatischen Steuerungsfaktoren und der Dynamik asiatischer Gletscher. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit und dem erschwerten Zugang gibt es nur wenige glaziologische Geländestudien, die zudem räumlich und zeitlich sehr begrenzt sind. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen über die Mehrzahl asiatischer Gletscher. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden, um die Dynamik asiatischer Gletscher auf mehreren Zeitskalen zu untersuchen. Erstens teste ich eine Methode zur präzisen satelliten-gestützten Messung von Gletscheroberflächen-Geschwindigkeiten. Darauf aufbauend habe ich eine umfassende regionale Erhebung der Fliessgeschwindigkeiten und Frontdynamik asiatischer Gletscher für die Jahre 2000 bis 2008 durchgeführt. Der gewonnene Datensatz erlaubt einmalige Einblicke in die topographischen und klimatischen Steuerungsfaktoren der Gletscherfließgeschwindigkeiten in den Gebirgsregionen Hochasiens. Insbesondere dokumentieren die Daten rezent ungleiches Verhalten der Gletscher im Karakorum und im Himalaja, welches ich auf die konkurrierenden klimatischen Einflüsse der Westwinddrift im Winter und des Indischen Monsuns im Sommer zurückführe. Zweitens untersuche ich, ob klimatisch bedingte Ost-West Unterschiede im Gletscherverhalten auch auf längeren Zeitskalen eine Rolle spielen und gegebenenfalls für dokumentierte regional asynchrone Gletschervorstöße relevant sind. Dazu habe ich mittels kosmogener Nuklide Oberflächenalter von erratischen Blöcken auf Moränen ermittelt und eine glaziale Chronologie für das obere Tons Tal, in den Quellgebieten des Ganges, erstellt. Dieses Gebiet befindet sich in der Übergangszone von monsunaler zu Westwind beeinflusster Feuchtigkeitszufuhr und ist damit ideal gelegen, um die Auswirkungen dieser beiden atmosphärischen Zirkulationssysteme auf Gletschervorstöße zu untersuchen. Die ermittelte glaziale Chronologie dokumentiert mehrere Gletscherschwankungen während des Endstadiums der letzten Pleistozänen Vereisung und während des Holzäns. Diese weisen darauf hin, dass Gletscherschwankungen im westlichen Himalaja weitestgehend synchron waren und auf graduelle glaziale-interglaziale Temperaturveränderungen, überlagert von monsunalen Niederschlagsschwankungen höherer Frequenz, zurück zu führen sind. In einem dritten Schritt kombiniere ich Satelliten-Klimadaten mit Eisfluss-Abschätzungen und topographischen Analysen, um den Einfluss der Gletscher Hochasiens auf die Reliefentwicklung im Hochgebirge zu untersuchen. Die Ergebnisse dokumentieren ausgeprägte meridionale Unterschiede im Grad und im Stil der Vergletscherung und glazialen Erosion in Abhängigkeit von topographischen und klimatischen Faktoren. Gegensätzlich zu bisherigen Annahmen deuten die Daten darauf hin, dass das monsunale Klima im zentralen Himalaja die glaziale Erosion schwächt und durch den Erhalt einer steilen orographischen Barriere das Tibet Plateau vor lateraler Zerschneidung bewahrt. Die Ergebnisse dieser Arbeit dokumentieren, wie klimatische und topographische Gradienten die Gletscherdynamik in den Hochgebirgen Asiens auf Zeitskalen von 10^0 bis 10^6 Jahren beeinflussen. Die Reaktionszeit der Gletscher auf Klimaveränderungen sind eng an Eigenschaften wie Schuttbedeckung und Neigung gekoppelt, welche ihrerseits von den topographischen Verhältnissen bedingt sind. Derartige Einflussfaktoren müssen bei paläoklimatischen Rekonstruktion und Vorhersagen über die Entwicklung asiatischer Gletscher berücksichtigt werden. Desweiteren gehen die regionalen topographischen Unterschiede der vergletscherten Gebiete Asiens teilweise auf klimatische Gradienten und den langfristigen Einfluss der Gletscher auf die topographische Entwicklung des Gebirgssystems zurück.
N2  - In the high mountains of Asia, glaciers cover an area of approximately 115,000 km² and constitute one of the largest continental ice accumulations outside Greenland and Antarctica. Their sensitivity to climate change makes them valuable palaeoclimate archives, but also vulnerable to current and predicted Global Warming. This is a pressing problem as snow and glacial melt waters are important sources for agriculture and power supply of densely populated regions in south, east, and central Asia. Successful prediction of the glacial response to climate change in Asia and mitigation of the socioeconomic impacts requires profound knowledge of the climatic controls and the dynamics of Asian glaciers. However, due to their remoteness and difficult accessibility, ground-based studies are rare, as well as temporally and spatially limited. We therefore lack basic information on the vast majority of these glaciers. In this thesis, I employ different methods to assess the dynamics of Asian glaciers on multiple time scales. First, I tested a method for precise satellite-based measurement of glacier-surface velocities and conducted a comprehensive and regional survey of glacial flow and terminus dynamics of Asian glaciers between 2000 and 2008. This novel and unprecedented dataset provides unique insights into the contrasting topographic and climatic controls of glacial flow velocities across the Asian highlands. The data document disparate recent glacial behavior between the Karakoram and the Himalaya, which I attribute to the competing influence of the mid-latitude westerlies during winter and the Indian monsoon during summer. Second, I tested whether such climate-related longitudinal differences in glacial behavior also prevail on longer time scales, and potentially account for observed regionally asynchronous glacial advances. I used cosmogenic nuclide surface exposure dating of erratic boulders on moraines to obtain a glacial chronology for the upper Tons Valley, situated in the headwaters of the Ganges River. This area is located in the transition zone from monsoonal to westerly moisture supply and therefore ideal to examine the influence of these two atmospheric circulation regimes on glacial advances. The new glacial chronology documents multiple glacial oscillations during the last glacial termination and during the Holocene, suggesting largely synchronous glacial changes in the western Himalayan region that are related to gradual glacial-interglacial temperature oscillations with superimposed monsoonal precipitation changes of higher frequency. In a third step, I combine results from short-term satellite-based climate records and surface velocity-derived ice-flux estimates, with topographic analyses to deduce the erosional impact of glaciations on long-term landscape evolution in the Himalayan-Tibetan realm. The results provide evidence for the long-term effects of pronounced east-west differences in glaciation and glacial erosion, depending on climatic and topographic factors. Contrary to common belief the data suggest that monsoonal climate in the central Himalaya weakens glacial erosion at high elevations, helping to maintain a steep southern orographic barrier that protects the Tibetan Plateau from lateral destruction. The results of this thesis highlight how climatic and topographic gradients across the high mountains of Asia affect glacier dynamics on time scales ranging from 10^0 to 10^6 years. Glacial response times to climate changes are tightly linked to properties such as debris cover and surface slope, which are controlled by the topographic setting, and which need to be taken into account when reconstructing mountainous palaeoclimate from glacial histories or assessing the future evolution of Asian glaciers. Conversely, the regional topographic differences of glacial landscapes in Asia are partly controlled by climatic gradients and the long-term influence of glaciers on the topographic evolution of the orogenic system.
KW  - Gletscher
KW  - Himalaya
KW  - Klimawandel
KW  - Fernerkundung
KW  - Kosmogene Nuklide
KW  - Glaciers
KW  - Himalaya
KW  - Climate change
KW  - Remote sensing
KW  - Cosmogenic nuclides
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49871
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shirzaei, Manoochehr
T1  - Crustal deformation source monitoring using advanced InSAR time series and time dependent inverse modeling
T1  - Monitoring der Quellen von Krustendeformationen mit Hilfe modernster InSAR Zeitreihen und zeitabhängiger inverser Modellierung
N2  - Crustal deformation can be the result of volcanic and tectonic activity such as fault dislocation and magma intrusion. The crustal deformation may precede and/or succeed the earthquake occurrence and eruption. Mitigating the associated hazard, continuous monitoring of the crustal deformation accordingly has become an important task for geo-observatories and fast response systems. Due to highly non-linear behavior of the crustal deformation fields in time and space, which are not always measurable using conventional geodetic methods (e.g., Leveling), innovative techniques of monitoring and analysis are required. In this thesis I describe novel methods to improve the ability for precise and accurate mapping the spatiotemporal surface deformation field using multi acquisitions of satellite radar data. Furthermore, to better understand the source of such spatiotemporal deformation fields, I present novel static and time dependent model inversion approaches. Almost any interferograms include areas where the signal decorrelates and is distorted by atmospheric delay. In this thesis I detail new analysis methods to reduce the limitations of conventional InSAR, by combining the benefits of advanced InSAR methods such as the permanent scatterer InSAR (PSI) and the small baseline subsets (SBAS) with a wavelet based data filtering scheme. This novel InSAR time series methodology is applied, for instance, to monitor the non-linear deformation processes at Hawaii Island. The radar phase change at Hawaii is found to be due to intrusions, eruptions, earthquakes and flank movement processes and superimposed by significant environmental artifacts (e.g., atmospheric). The deformation field, I obtained using the new InSAR analysis method, is in good agreement with continuous GPS data. This provides an accurate spatiotemporal deformation field at Hawaii, which allows time dependent source modeling. Conventional source modeling methods usually deal with static deformation field, while retrieving the dynamics of the source requires more sophisticated time dependent optimization approaches. This problem I address by combining Monte Carlo based optimization approaches with a Kalman Filter, which provides the model parameters of the deformation source consistent in time. I found there are numerous deformation sources at Hawaii Island which are spatiotemporally interacting, such as volcano inflation is associated to changes in the rifting behavior, and temporally linked to silent earthquakes. I applied these new methods to other tectonic and volcanic terrains, most of which revealing the importance of associated or coupled deformation sources. The findings are 1) the relation between deep and shallow hydrothermal and magmatic sources underneath the Campi Flegrei volcano, 2) gravity-driven deformation at Damavand volcano, 3) fault interaction associated with the 2010 Haiti earthquake, 4) independent block wise flank motion at the Hilina Fault system, Kilauea, and 5) interaction between salt diapir and the 2005 Qeshm earthquake in southern Iran. This thesis, written in cumulative form including 9 manuscripts published or under review in peer reviewed journals, improves the techniques for InSAR time series analysis and source modeling and shows the mutual dependence between adjacent deformation sources. These findings allow more realistic estimation of the hazard associated with complex volcanic and tectonic systems.
N2  - Oberflächendeformationen können eine Folge von vulkanischen und tektonischen Aktivitäten sein, wie etwa Plattenverschiebungen oder Magmaintrusion. Die Deformation der Erdkruste kann einem Erdbeben oder einem Vulkanausbruch vorausgehen und/oder folgen. Um damit drohende Gefahren für den Menschen zu verringern, ist die kontinuierliche Beobachtung von Krustendeformationen eine wichtige Aufgabe für Erdobservatorien und Fast-Responce-Systems geworden. Auf Grund des starken nicht-linearen Verhaltens von Oberflächendeformationsgebiet in Zeit und Raum, die mit konventionellen Methoden nicht immer erfasst werden (z.B., Nivellements), sind innovative Beobachtungs- und Analysetechniken erforderlich. In dieser Dissertation beschreibe ich Methoden, welche durch Mehrfachbeobachtungen der Erdoberfläche nit satellitengestützem Radar eine präzise und akkurate Abbildung der raumzeitlichen Oberflächendeformationen ermöglichen. Um die Bildung und Entwicklung von solchen raumzeitlichen Deformationsgebieten besser zu verstehen, zeige ich weiterhin neuartige Ansätze zur statischen und zeitabhängigen Modellinversion. Radar-Interferogramme weisen häufig Gebiete auf, in denen das Phasensignal dekorreliert und durch atmosphärische Laufzeitverzögerung verzerrt ist. In dieser Arbeit beschreibe ich wie Probleme des konventionellen InSAR überwunden werden können, indem fortgeschrittene InSAR-Methoden, wie das Permanent Scatterer InSAR (PSI) und Small Baseline Subsets (SBAS), mit einer Wavelet-basierten Datenfilterung verknüpft werden. Diese neuartige Analyse von InSAR Zeitreihen wird angewendet, um zum Beispiel nicht-lineare Deformationsprozesse auf Hawaii zu überwachen. Radar-Phasenänderungen, gemessen auf der Pazifikinsel, beruhen auf Magmaintrusion, Vulkaneruption, Erdbeben und Flankenbewegungsprozessen, welche durch signifikante Artefakte (z.B. atmosphärische) überlagert werden. Mit Hilfe der neuen InSAR-Analyse wurde ein Deformationsgebiet ermittelt, welches eine gute Übereinstimmung mit kontinuierlich gemessenen GPS-Daten aufweist. Auf der Grundlage eines solchen, mit hoher Genauigkeit gemessenen, raumzeitlichen Deformationsgebiets wird für Hawaii eine zeitabhängige Modellierung der Deformationsquelle ermöglicht. Konventionelle Methoden zur Modellierung von Deformationsquellen arbeiten normalerweise mit statischen Daten der Deformationsgebiete. Doch um die Dynamik einer Deformationsquelle zu untersuchen, sind hoch entwickelte zeitabhängige Optimierungsansätze notwendig. Dieses Problem bin ich durch eine Kombination von Monte-Carlo-basierten Optimierungsansätzen mit Kalman-Filtern angegangen, womit zeitlich konsistente Modellparameter der Deformationquelle gefunden werden. Ich fand auf der Insel Hawaii mehrere, raumzeitlich interagierende Deformationsquellen, etwa Vulkaninflation verknüpft mit Kluftbildungen und Veränderungen in bestehenden Klüften sowie zeitliche Korrelationen mit stillen Erdbeben. Ich wendete die neuen Methoden auf weitere tektonisch und vulkanisch aktive Gebiete an, wo häufig die eine Interaktion der Deformationsquellen nachgewiesen werden konnte und ihrer bedeutung untersucht wurde. Die untersuchten Gebiete und Deformationsquellen sind 1) tiefe und oberflächliche hydrothermale und magmatische Quellen unterhalb des Campi Flegrei Vulkans, 2) gravitationsbedingte Deformationen am Damawand Vulkan, 3) Störungsdynamik in Verbindung mit dem Haiti Beben im Jahr 2010, 4) unabhängige blockweise Flankenbewegung an der Hilina Störungszone, und 5) der Einfluss eines Salzdiapirs auf das Qeshm Erdbeben im Süd-Iran im Jahr 2005. Diese Dissertation, geschrieben als kumulative Arbeit von neun Manuskripten, welche entweder veröffentlicht oder derzeit in Begutachtung bei ‘peer-review’ Zeitschriften sind, technische Verbesserungen zur Analyse von InSAR Zeitreihen vor sowie zur Modellierung von Deformationsquellen. Sie zeigt die gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Deformationsquellen, und sie ermöglicht, realistischere Einschätzungen von Naturgefahren, die von komplexen vulkanischen und tektonischen Systemen ausgehen.
KW  - InSAR
KW  - Vulkan
KW  - Erdbeben
KW  - inverse Modellierung
KW  - InSAR
KW  - Vulcano
KW  - earthquake
KW  - inverse modeling
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50774
ER  - 
TY  - THES
A1  - Di Giacomo, Domenico
T1  - Determination of the energy magnitude ME : application to rapid response purposes and insights to regional/local variabilities
T1  - Bestimmung der Erdbeben-Magnitude ME : Anwendung für Echtzeitzwecke und regionale/lokale Variabilitäten
N2  - Recent large earthquakes put in evidence the need of improving and developing robust and rapid procedures to properly calculate the magnitude of an earthquake in a short time after its occurrence. The most famous example is the 26 December 2004 Sumatra earthquake, when the limitations of the standard procedures adopted at that time by many agencies failed to provide accurate magnitude estimates of this exceptional event in time to launch early enough warnings and appropriate response. Being related to the radiated seismic energy ES, the energy magnitude ME is a good estimator of the high frequency content radiated by the source which goes into the seismic waves. However, a procedure to rapidly determine ME (that is to say, within 15 minutes after the earthquake occurrence) was required. Here it is presented a procedure able to provide in a rapid way the energy magnitude ME for shallow earthquakes by analyzing teleseismic P‑waves in the distance range 20-98. To account for the energy loss experienced by the seismic waves from the source to the receivers, spectral amplitude decay functions obtained from numerical simulations of Greens functions based on the average global model AK135Q are used. The proposed method has been tested using a large global dataset (~1000 earthquakes) and the obtained rapid ME estimations have been compared to other magnitude scales from different agencies. Special emphasis is given to the comparison with the moment magnitude MW, since the latter is very popular and extensively used in common seismological practice. However, it is shown that MW alone provide only limited information about the seismic source properties, and that disaster management organizations would benefit from a combined use of MW and ME in the prompt evaluation of an earthquake’s tsunami and shaking potential. In addition, since the proposed approach for ME is intended to work without knowledge of the fault plane geometry (often available only hours after an earthquake occurrence), the suitability of this method is discussed by grouping the analyzed earthquakes according to their type of mechanism (strike-slip, normal faulting, thrust faulting, etc.). No clear trend is found from the rapid ME estimates with the different fault plane solution groups. This is not the case for the ME routinely determined by the U.S. Geological Survey, which uses specific radiation pattern corrections. Further studies are needed to verify the effect of such corrections on ME estimates. Finally, exploiting the redundancy of the information provided by the analyzed dataset, the components of variance on the single station ME estimates are investigated. The largest component of variance is due to the intra-station (record-to-record) error, although the inter-station (station-to-station) error is not negligible and is of several magnitude units for some stations. Moreover, it is shown that the intra-station component of error is not random but depends on the travel path from a source area to a given station. Consequently, empirical corrections may be used to account for the heterogeneities of the real Earth not considered in the theoretical calculations of the spectral amplitude decay functions used to correct the recorded data for the propagation effects.
N2  - Starke Erdbeben in letzter Zeit zeigten deutlich den steigenden Bedarf nach einer Verbesserung und Entwicklung von stabilen und schnellen Methoden, um die Magnitude eines Erdbebens korrekt innerhalb kürzester Zeit nach dessen Auftreten zu ermitteln. Das bisher bekannteste Fallbeispiel in diesem Zusammenhang stellt das Sumatra-Erdbeben vom 26 Dezember 2004 dar. Dieses außergewöhnliche Ereignis zeigte deutlich die Grenzen der bisher gängigen und von den meisten Behörden zu dieser Zeit verwendeten Methoden zur Ermittlung der Erdbebenmagnitude. So konnte für dieses Beben mit den gängigen Ansätzen zeitnah die Magnitude nicht korrekt bestimmt werden , um eine angemessene Frühwarnung und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Die Energiemagnitude ME steht in direkter Verbindung mit der abgestrahlten seismischen Energie ES und stellt somit eine guten Abschätzung für den Hochfrequenzanteil dar, der von der Quelle ausgestrahlt wird und in die seismischen Wellen einfließt. Eine Methode, welche eine schnelle Ermittlung von ME ermöglicht (d.h. innerhalb von maximal 15 Minuten nach dem Erdbeben) wäre in diesem Falle benötigt worden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die eine solche schnelle Ermittlung der Energiemagnitude ME für oberflächennahe Erdbeben ermöglicht, indem teleseismische P-Wellen im Bereich von 20°-98° analysiert werden. Um den Energieverlust der seismischen Wellen von deren Quelle bis zu den Empfängern angemessen zu berücksichtigen, werden spektrale Amplituden-Abnahmefunktionen verwendet, welche aus numerischen Simulationen von Greenschen Funktionen basierend auf dem durchschnittlichen globalen Modell AK135Q abgeleitet werden. Die vorgestellte Methode wurde mit einem umfangreichen globalen Datensatz (ca. 1000 Erdbeben) getestet, und die zeitnah ermittelten ME-Abschätzungen wurden mit anderen Magnitudenskalen verschiedener Behörden verglichen. Ein Vergleich mit der Momentenmagnitude MW war hierbei von besonderem Interesse, da diese Skala heutzutage weitverbreitet ist und häufig zum Einsatz kommt. Es zeigt sich jedoch, dass MW alleine nur begrenzte Informationen über die seismischen Herdeigenschaften liefern kann, und dass Organisationen des Katastrophenmagements von einer kombinierten Nutzung von MW und ME gerade hinsichtlich der unmittelbaren Evaluierung des tsunamigenen Potentials und der Erschütterungswirkung eines Erdbebens profitieren könnten. Die verwendete Methode zur Ermittlung von ME kommt ohne Wissen über die geometrischen Eigenschaften der Verwerfungszone aus (diese sind meist erst Stunden nach einem Erbeben verfügbar). Entsprechend wird die Eignung dieser Methode durch Eingruppierungen der analysierten Erdbeben nach ihrem Wirkungsmechanismus (Scherbruch, Abschiebung, Aufschiebung, etc.) diskutiert. Für die schnelle Abschätzung von ME ist kein klarer Trend unter Verwendung der verschiedenen Herdflächenlösungen erkennbar. Für ME-Werte, welche standardmäßig vom U.S. Geological Survey mit speziellen Korrekturwerten für die Abstrahlungscharakteristika ermittelt werden, trifft dies jedoch nicht zu. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Auswirkungen solcher Korrekturen auf die ME-Abschätzungen zu verifizieren. Indem die Redundanz der Informationen des analysierten Datensatzes ausgenutzt wurde, konnte die Varianz bei den Einzelstations-ME-Abschätzungen untersucht werden. Die größte Abweichung zeigt sich aufgrund von Intra-Stations-Fehlern (record-to-record), wenngleich auch der Inter-Stations-Fehler (station-to-station) nicht vernachlässigbar ist; so nimmt er für einige Stationen mehrere Magnitudeneinheiten an. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Intra-Stations-Anteil des Gesamtfehlers nicht zufällig ist, sondern abhängig vom Wellenweg von einem Quellgebiet zu einer bestimmten Station. Folglich können empirische Korrekturen dazu benutzt werden, den Heterogenitäten der realen Erde gerecht zu werden, welche heutzutage nicht in den theoretischen Kalkulationen der spektralen Amplituden-Abnahmefunktionen zur Korrektur der aufgezeichneten Daten verwendet werden.
KW  - Erdbeben-Magnitude
KW  - Quellenparameter
KW  - Earthquake magnitude
KW  - source parameters
KW  - inter- and intra-station variability
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50768
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TY  - THES
A1  - Strollo, Angelo
T1  - Development of techniques for earthquake microzonation studies in different urban environment
T1  - Entwicklung von Techniken für Mikrozonierungsstudien von Erdbeben in verschiedenen städtischen Umgebungen
N2  - The proliferation of megacities in many developing countries, and their location in areas where they are exposed to a high risk from large earthquakes, coupled with a lack of preparation, demonstrates the requirement for improved capabilities in hazard assessment, as well as the rapid adjustment and development of land-use planning. In particular, within the context of seismic hazard assessment, the evaluation of local site effects and their influence on the spatial distribution of ground shaking generated by an earthquake plays an important role. It follows that the carrying out of earthquake microzonation studies, which aim at identify areas within the urban environment that are expected to respond in a similar way to a seismic event, are essential to the reliable risk assessment of large urban areas. Considering the rate at which many large towns in developing countries that are prone to large earthquakes are growing, their seismic microzonation has become mandatory. Such activities are challenging and techniques suitable for identifying site effects within such contexts are needed. In this dissertation, I develop techniques for investigating large-scale urban environments that aim at being non-invasive, cost-effective and quickly deployable. These peculiarities allow one to investigate large areas over a relative short time frame, with a spatial sampling resolution sufficient to provide reliable microzonation. Although there is a negative trade-off between the completeness of available information and extent of the investigated area, I attempt to mitigate this limitation by combining two, what I term layers, of information: in the first layer, the site effects at a few calibration points are well constrained by analyzing earthquake data or using other geophysical information (e.g., shear-wave velocity profiles); in the second layer, the site effects over a larger areal coverage are estimated by means of single-station noise measurements. The microzonation is performed in terms of problem-dependent quantities, by considering a proxy suitable to link information from the first layer to the second one. In order to define the microzonation approach proposed in this work, different methods for estimating site effects have been combined and tested in Potenza (Italy), where a considerable amount of data was available. In particular, the horizontal-to-vertical spectral ratio computed for seismic noise recorded at different sites has been used as a proxy to combine the two levels of information together and to create a microzonation map in terms of spectral intensity ratio (SIR). In the next step, I applied this two-layer approach to Istanbul (Turkey) and Bishkek (Kyrgyzstan). A similar hybrid approach, i.e., combining earthquake and noise data, has been used for the microzonation of these two different urban environments. For both cities, after having calibrated the fundamental frequencies of resonance estimated from seismic noise with those obtained by analysing earthquakes (first layer), a fundamental frequency map has been computed using the noise measurements carried out within the town (second layer). By applying this new approach, maps of the fundamental frequency of resonance for Istanbul and Bishkek have been published for the first time. In parallel, a microzonation map in terms of SIR has been incorporated into a risk scenario for the Potenza test site by means of a dedicated regression between spectral intensity (SI) and macroseismic intensity (EMS). The scenario study confirms the importance of site effects within the risk chain. In fact, their introduction into the scenario led to an increase of about 50% in estimates of the number of buildings that would be partially or totally collapsed. Last, but not least, considering that the approach developed and applied in this work is based on measurements of seismic noise, their reliability has been assessed. A theoretical model describing the self-noise curves of different instruments usually adopted in microzonation studies (e.g., those used in Potenza, Istanbul and Bishkek) have been considered and compared with empirical data recorded in Cologne (Germany) and Gubbio (Italy). The results show that, depending on the geological and environmental conditions, the instrumental noise could severely bias the results obtained by recording and analysing ambient noise. Therefore, in this work I also provide some guidelines for measuring seismic noise.
N2  - Aufgrund des enormen Wachstums neuer Megastädte und deren Vordringen in gefährdete Gebiete auf der einen Seite sowie der mangelnden Erdbebenvorsorge in vielen Entwicklungsländern auf der anderen Seite sind verbesserte Verfahren für die Beurteilung der Gefährdung sowie eine rasche Umsetzung bei der Raumplanung erforderlich. Im Rahmen der seismischen Gefährdungsabschätzung spielt insbesondere die Beurteilung lokaler Standorteffekte und deren Einfluss auf die durch ein Erdbeben verursachte räumliche Verteilung der Bodenerschütterung eine wichtige Rolle. Es ist daher unabdingbar, mittels seismischer Mikrozonierungsstudien diejenigen Bereiche innerhalb dicht besiedelter Gebiete zu ermitteln, in denen ein ähnliches Verhalten im Falle seismischer Anregung erwartet wird, um daraus eine zuverlässige Basis bei der Risikoabschätzung großer städtischer Gebiete zu erhalten. Aufgrund des schnellen Wachstums vieler Großstädte in Entwicklungsländern ist eine seismische Mikrozonierung zwingend erforderlich, stellt aber auch eine große Herausforderung dar; insbesondere müssen Verfahren verfügbar sein, mit deren Hilfe rasch eine Abschätzung der Standorteffekte durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit entwickle ich daher Verfahren für die Untersuchung in Großstädten, die darauf abzielen, nicht-invasiv, kostengünstig und schnell durchführbar zu sein. Damit lassen sich innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Gebiete untersuchen, falls der räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten klein genug ist, um eine zuverlässige Mikrozonierung zu gewährleisten. Obwohl es eine gegenläufige Tendenz zwischen der Vollständigkeit aller Informationen und der Größe des untersuchten Gebiets gibt, versuche ich, diese Einschränkung durch Verknüpfung zweier Informationsebenen zu umgehen: In der ersten Ebene werden die Standorteffekte für einige Kalibrierungspunkte durch die Analyse von Erdbeben oder mittels anderer geophysikalischer Datensätze (z.B. Scherwellengeschwindigkeitsprofile) bestmöglich abgeschätzt, in der zweiten Ebene werden die Standorteffekte durch Einzelstationsmessungen des seismischen Rauschens für ein größeres Gebiet bestimmt. Die Mikrozonierung erfolgt hierbei mittels spezifischer, fallabhängiger Parameter unter Berücksichtigung eines geeigneten Anknüpfungspunktes zwischen den beiden Informationensebenen. Um diesen Ansatz der Mikrozonierung, der in dieser Arbeit verfolgt wurde, zu präzisieren, wurden in Potenza (Italien), wo eine beträchtliche Menge an Daten verfügbar war, verschiedene Verfahren untersucht. Insbesondere kann das Spektralverhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Seismometerkomponenten, welche für das seismische Rauschen an mehreren Orten aufgenommen wurde, als eine erste Näherung für die relative Verstärkung der Bodenbewegung verwendet werden, um darauf aufbauend die beiden Informationsebenen zu verknüpfen und eine Mikrozonierung hinsichtlich des Verhältnisses der spektralen Intensität durchzuführen. Anschließend führte ich diesen Zwei-Ebenen-Ansatz auch für Istanbul (Türkei) und Bischkek (Kirgisistan) durch. Für die Mikrozonierung dieser beiden Städte habe ich denselben Hybridansatz, der Daten von Erdbeben und von seismischem Rauschen verbindet, verwendet. Für beide Städte wurde nach Gegenüberstellung der Resonanzfrequenz des Untergrunds, die zum einen mit Hilfe des seismischen Rauschens, zum anderen durch Analyse von Erdbebendaten bestimmt worden ist (erste Ebene), eine Karte der Resonanzfrequenz unter Verwendung weiterer Messungen des seismischen Rauschens innerhalb des Stadtgebiets erstellt (zweite Ebene). Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes sind vor kurzem zum ersten Mal auch Karten für die Resonanzfrequenz des Untergrunds für Istanbul und Bischkek veröffentlicht worden. Parallel dazu wurde für das Testgebiet in Potenza eine auf dem spektralen Intensitätsverhältnis (SIR) basierende Mikrozonierungskarte in ein Risikoszenario mittels der Regression zwischen SIR und makroseismischer Intensität (EMS) integriert. Diese Szenariostudie bestätigt die Bedeutung von Standorteffekten innerhalb der Risikokette; insbesondere führt deren Einbeziehung in das Szenario zu einem Anstieg von etwa 50% bei der Zahl der Gebäude, für die ein teilweiser oder gar vollständiger Zusammenbruch erwartet werden kann. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte Ansatz auf seine Zuverlässigkeit geprüft. Ein theoretisches Modell, das zur Beschreibung des Eigenrauschens verschiedener Instrumente, die in der Regel in Mikrozonierungsstudien (z. B. in Potenza, Istanbul und Bischkek) zum Einsatz kommen, wurde untersucht, und die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die vorher bereits in Köln (Deutschland) und Gubbio (Italien) aufgenommen worden waren. Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den geologischen und umgebenden Bedingungen das Eigenrauschen der Geräte die Ergebnisse bei der Analyse des seismischen Rauschens stark verzerren kann. Deshalb liefere ich in dieser Arbeit auch einige Leitlinien für die Durchführung von Messungen des seismischen Rauschens.
KW  - instrumentelle Seismologie
KW  - Standorteffekte
KW  - Korrelation
KW  - seismische Rauschen
KW  - instrumental seismology
KW  - site effects
KW  - correlation
KW  - seismic noise
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53807
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TY  - THES
A1  - Landgraf, Angela
T1  - Fault interaction at different time- and length scales : the North Tehran thrust and Mosha-Fasham fault (Alborz mountains, Iran)
T1  - Störungsinteraktion auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen : die Nord-Teheran Überschiebung und die Mosha-Fasham Störung, Elburs Gebirge, Iran
N2  - The seismically active Alborz mountains of northern Iran are an integral part of the Arabia-Eurasia collision. Linked strike-slip and thrust/reverse-fault systems in this mountain belt are characterized by slow loading rates, and large earthquakes are highly disparate in space and time. Similar to other intracontinental deformation zones such a pattern of tectonic activity is still insufficiently understood, because recurrence intervals between seismic events may be on the order of thousands of years, and are thus beyond the resolution of short term measurements based on GPS or instrumentally recorded seismicity. This study bridges the gap of deformation processes on different time scales. In particular, my investigation focuses on deformation on the Quaternary time scale, beyond present-day deformation rates, and it uses present-day and paleotectonic characteristics to model fault behavior. The study includes data based on structural and geomorphic mapping, faultkinematic analysis, DEM-based morphometry, and numerical fault-interaction modeling. In order to better understand the long- to short term behavior of such complex fault systems, I used geomorphic surfaces as strain markers and dated fluvial and alluvial surfaces using terrestrial cosmogenic nuclides (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) and optically stimulated luminescence (OSL). My investigation focuses on the seismically active Mosha-Fasham fault (MFF) and the seismically virtually inactive North Tehran Thrust (NTT), adjacent to the Tehran metropolitan area. Fault-kinematic data reveal an early mechanical linkage of the NTT and MFF during an earlier dextral transpressional stage, when the shortening direction was oriented northwest. This regime was superseded by Pliocene to Recent NE-oriented shortening, which caused thrusting and sinistral strike-slip faulting. In the course of this kinematic changeover, the NTT and MFF were reactivated and incorporated into a nascent transpressional duplex, which has significantly affected landscape evolution in this part of the range. Two of three distinctive features which characterize topography and relief in the study area can be directly related to their location inside the duplex array and are thus linked to interaction between eastern MFF and NTT, and between western MFF and Taleghan fault, respectively. To account for inferred inherited topography from the previous dextral-transpression regime, a new concept of tectonic landscape characterization has been used. Accordingly, I define simple landscapes as those environments, which have developed during the influence of a sustained tectonic regime. In contrast, composite landscapes contain topographic elements inherited from previous tectonic conditions that are inconsistent with the regional present-day stress field and kinematic style. Using numerical fault-interaction modeling with different tectonic boundary conditions, I calculated synoptic snapshots of artificial topography to compare it with the real topographic metrics. However, in the Alborz mountains, E-W faults are favorably oriented to accommodate the entire range of NW- to NE-directed compression. These faults show the highest total displacement which might indicate sustained faulting under changing boundary conditions. In contrast to the fault system within and at the flanks of the Alborz mountains, Quaternary deformation in the adjacent Tehran plain is characterized by oblique motion and thrust and strike-slip fault systems. In this morphotectonic province fault-propagation folding along major faults, limited strike-slip motion, and en-échelon arrays of second-order upper plate thrusts are typical. While the Tehran plain is characterized by young deformation phenomena, the majority of faulting took place in the early stages of the Quaternary and during late Pliocene time. TCN-dating, which was performed for the first time on geomorphic surfaces in the Tehran plain, revealed that the oldest two phases of alluviation (units A and B) must be older than late Pleistocene. While urban development in Tehran increasingly covers and obliterates the active fault traces, the present-day kinematic style, the vestiges of formerly undeformed Quaternary landforms, and paleo earthquake indicators from the last millennia attest to the threat that these faults and their related structures pose for the megacity.
N2  - Das seismisch aktive Elburs Gebirge im Nordiran ist Bestandteil der Arabisch-Eurasischen Kollisionszone. Gekoppelte Blattverschiebungs- und Überschiebungssysteme dieses Gebirges zeichnen sich durch geringe Spannungsaufbauraten aus. Dementsprechend treten große Erdbeben räumlich und zeitlich weit verteilt voneinander auf und Wiederkehrperioden solcher Erdbeben können tausende von Jahren dauern und wurden noch nicht von kurzzeitigen Messmethoden, wie GPS oder instrumenteller Seismologie erfasst. Diese Arbeit überbrückt verschiedene Zeitskalen. Diese Studie beinhaltet insbesondere Auswertungen struktureller und geomorphologischer Kartierungen, störungskinematische Analysen, auf digitalen Höhenmodellen basierende Morphometrie und numerische Modellierung von Störungsinteraktion. Um das lang- und kurzfristige Verhalten solcher komplexen Schwächezonen besser zu verstehen, benutze ich geomorphologische Oberflächen als Deformationsmarker und datiere alluviale und fluviatile Oberflächen mittels kosmogener Nuklide (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) und optisch stimulierter Lumineszenz (OSL). Mein Untersuchungsgebiet umfasst die seismisch aktive Mosha-Fasham Störung (MFF) und die als seismisch quasi inaktiv geltende Nordteheranstörung (NTT), die sich in unmittelbarer Nähe zum Teheraner Ballungsgebiet befinden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Deformationfeld mit der Zeit verändert hat. Die störungskinematischen Daten haben ergeben, dass NTT und MFF bereits seit einer früheren dextral-transpressionalen Phase unter NW-gerichteter Einengung mechanisch gekoppelt sind. Dieses System wurde von pliozäner und bis heute andauernder NE-gerichteter Einengung ersetzt, woraufhin sich Überschiebungen und linkslaterale Blattverschiebungen herausbildeten. Während dieses kinematischen Wechsels wurden NTT und MFF reaktiviert und in ein beginnendes transpressionales Duplexsystem eingebunden, welches die Landschaftentwicklung in diesem Teil des Gebirges signifikant beeinflusst hat. Zwei von drei ausgeprägten topographischen Besonderheiten des Untersuchungsgebietes können direkt mit deren Lage in der Duplexanordnung in Verbindung gebracht werden und spiegeln Interaktion zwischen den östlichen Segmenten von NTT und MFF, bzw., zwischen dem westlichen Segment der MFF und der parallelen Taleghan Schwächezone wider. Um diejenige Topographie auszuweisen, die möglicherweise aus der vorhergehenden Phase vererbt wurde, wurde ein neues Konzept tektonischer Landschaftscharakterisierung benutzt. Einfache Landschaften sind unter dem Einfluß gleichbleibender tektonischer Randbedingungen entstanden. Dagegen enthalten zusammengesetzte Landschaften vererbte Elemente vergangener tektonischer Randbedingungen, die mit dem heutigen Spannungsfeld und kinematischen Stil unvereinbar sind. Mittels numerischer Störungsinteraktionsmodellierungen teste ich verschiedene Randbedingungen und berechne synoptische Momentaufnahmen künstlicher Topographie um sie mit reellen topographischen Maßen zu vergleichen. Im Elburs Gebirge treten allerdings auch E-W streichende Schwächezonen auf, die so günstig orientiert sind, dass sie Verformung unter der gesamten Einengungsspanne von Nordwest nach Nordost zeigen. Diese weisen den höchsten totalen Versatz auf. Hier tritt das Grundgebirge zutage und wird versetzt, was, wie die Modellierungen vermuten lassen, auf langanhaltende Verformung unter sich ändernden Randbedingungen hinweisen kann. Quartäre Deformation in der benachbarten Teheran Ebene ist durch Schrägbewegungen, Überschiebungen und Blattverschiebungssyteme gekennzeichnet, die typischerweise in Auffaltungen entlang von Hauptstörungen, vereinzelten Blattverschiebungen und en-échelon Anordnungen untergeordneter oberflächlicher Überschiebungen resultieren. Junge Deformation tritt auf, die Hauptbewegungen fanden allerdings im frühen Quartär und wahrscheinlich späten Pliozän statt. TCN-Datierungen, die erstmalig an geomorphologischen Oberflächen in der Teheran Ebene durchgeführt wurden, ergeben dass die beiden älteren Sedimentationsphasen (Einheiten A und B) älter sind als spätes Pleistozän. Obwohl die urbane Entwicklung im Teheraner Ballungsraum die aktiven Störungslinien zunehmend verdeckt und ausradiert, zeugen der heutige kinematische Stil, die Überreste ehemals unverstellter Quartärer Landschaftsformen und Hinweise auf Paläoerdbeben während der letzten Jahrtausende von der Gefahr, die diese Schwächezonen für die Megastadt bedeuten.
KW  - Störungsinteraktion
KW  - Tektonische Geomorphologie
KW  - Kosmogene Nuklide
KW  - Elburs
KW  - Iran
KW  - Fault interaction
KW  - Tectonic geomorphology
KW  - Cosmogenic nuclides
KW  - Alborz
KW  - Iran
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50800
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TY  - THES
A1  - Borchers, Andreas
T1  - Glaciomarine sedimentation at the continental margin of Prydz Bay, East Antarctica : implications on palaeoenvironmental changes during the Quaternary
T1  - Glaziomarine Sedimentation am Kontinentalrand der Prydz-Bucht, Ostantarktis : Schlussfolgerungen hinsichtlich Veränderungen der Paläoumweltbedingungen während des Quartärs
N2  - The Antarctic plays an important role in the global climate system. On the one hand, the Antarctic Ice Sheet is the largest freshwater reservoir on Earth. On the other hand, a major proportion of the global bottom-water formation takes place in Antarctic shelf regions, forcing the global thermohaline circulation. The main goal of this dissertation is to provide new insights into the dynamics and stability of the EAIS during the Quaternary. Additionally, variations in the activity of bottom-water formation and their causes are investigated. The dissertation is a German contribution to the International Polar Year 2007/ 2008 and was funded by the ‘Deutsche Forschungsgesellschaft’ (DFG) within the scope of priority program 1158 ‘Antarctic research with comparative studies in Arctic ice regions’. During RV Polarstern expedition ANT-XXIII/9, glaciomarine sediments were recovered from the Prydz Bay-Kerguelen region. Prydz Bay is a key region for the study of East EAIS dynamics, as 16% of the EAIS are drained through the Lambert Glacier into the bay. Thereby, the glacier transports sediment into Prydz Bay which is then further distributed by calving icebergs or by current transport. The scientific approach of this dissertation is the reconstruction of past glaciomarine environments to infer on the response of the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system to climate shifts during the Quaternary. To characterize the depositional setting, sedimentological methods are used and statistical analyses are applied. Mineralogical and (bio)geochemical methods provide a means to reconstruct sediment provenances and to provide evidence on changes in the primary production in the surface water column. Age-depth models were constructed based on palaeomagnetic and palaeointensity measurements, diatom stratigraphy and radiocarbon dating. Sea-bed surface sediments in the investigation area show distinct variations in terms of their clay minerals and heavy-mineral assemblages. Considerable differences in the mineralogical composition of surface sediments are determined on the continental shelf. Clay minerals as well as heavy minerals provide useful parameters to differentiate between sediments which originated from erosion of crystalline rocks and sediments originating from Permo-Triassic deposits. Consequently, mineralogical parameters can be used to reconstruct the provenance of current-transported and ice-rafted material. The investigated sediment cores cover the time intervals of the last 1.4 Ma (continental slope) and the last 12.8 cal. ka BP (MacRobertson shelf). The sediment deposits were mainly influenced by glacial and oceanographic processes and further by biological activity (continental shelf), meltwater input and possibly gravitational transport. Sediments from the continental slope document two major deglacial events: the first deglaciation is associated with the mid-Pleistocene warming recognized around the Antarctic. In Prydz Bay, the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf retreated far to the south and high biogenic productivity commenced or biogenic remains were better preserved due to increased sedimentation rates. Thereafter, stable glacial conditions continued until 400 - 500 ka BP. Calving of icebergs was restricted to the western part of the Lambert Glacier. The deeper bathymetry in this area allows for floating ice shelf even during times of decreased sea-level. Between 400 - 500 ka BP and the last interglacial (marine isotope stage 5) the glacier was more dynamic. During or shortly after the last interglacial the LAIS retreated again due to sea-level rise of 6 - 9 m. Both deglacial events correlate with a reduction in the thickness of ice masses in the Prince Charles Mountains. It indicates that a disintegration of the Amery Ice Shelf possibly led to increased drainage of ice masses from the Prydz Bay hinterland. A new end-member modelling algorithm was successfully applied on sediments from the MacRobertson shelf used to unmix the sand grain size fractions sorted by current activity and ice transport, respectively. Ice retreat on MacRobertson Shelf commenced 12.8 cal. ka BP and ended around 5.5 cal. ka BP. During the Holocene, strong fluctuations of the bottomwater activity were observed, probably related to variations of sea-ice formation in the Cape Darnley polynya. Increased activity of bottom-water flow was reconstructed at transitions from warm to cool conditions, whereas bottom-water activity receded during the mid- Holocene climate optimum. It can be concluded that the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system was relatively stable in terms of climate variations during the Quaternary. In contrast, bottom-water formation due to polynya activity was very sensitive to changes in atmospheric forcing and should gain more attention in future research.
N2  - Die Antarktis spielt im globalen Umweltsystem eine tragende Rolle. Mit ihrem mächtigen Eispanzer ist sie nicht nur der größte Süsswasserspeicher auf der Erde, in ihren Schelfregionen wird auch ein Großteil der globalen Bodenwassermassen gebildet, welche die globale thermohaline Zirkulation antreiben. Hauptziel dieser Arbeit, welche einen deutschen Beitrag zum Internationalen Polarjahr 2007/ 2008 liefert, war es, neue Erkenntnisse hinsichtlich der Stabilität des Ostantarktischen Eisschildes während des Quartärs zu liefern. Weiterhin sollten Aussagen über Variationen in der Bildung von Antarktischem Bodenwasser und deren Ursachen getroffen werden. Dazu wurde im Rahmen der ‚Polarstern‘ Expedition ANT-XXIII/9 eine Beprobung glaziomariner Sedimente zwischen Prydz Bucht und Kerguelen Plateau durchgeführt. Diese Region eignet sich zur Untersuchung der Ostantarktischen Eisdynamik besonders gut, da hier der Lambert Gletscher, etwa 16% des Ostantarktischen Eispanzers drainiert. Er transportiert dabei Sediment nach Norden, das schließlich die Prydz Bucht erreicht und durch direkten Transport über kalbende Eisberge oder durch Umlagerung und Verteilung mithilfe von Meeresströmungen weiter verfrachtet wird. Der wissenschaftliche Ansatz dieser Arbeit besteht darin, über die Verteilung dieser Sedimente in Raum und Zeit, d.h. über Variationen des glaziomarinen Paläoregimes, die Reaktion des Lambert Gletschers und des vorgelagerten Amery Schelfeises auf Klimaschwankungen während des Quartärs zu rekonstruieren. Dabei werden sowohl sedimentologische Methoden unter Einbeziehung neuer statistischer Möglichkeiten angewandt, um Sedimentationsprozesse zu charakterisieren, als auch mineralogische und (bio)geochemische Parameter verwendet, um Aussagen über die Herkunft der Sedimente und Änderungen in der Produktivität im Oberflächenwasser treffen zu können. Die Altersbestimmung der Sedimentkerne erfolgte mittels Paläomagnetik, Paläointensitäten, Biostratigraphie und Radiokarbondatierungen. Die Oberflächensedimente im Untersuchungsgebiet zeigen deutliche Unterschiede sowohl hinsichtlich ihrer Tonmineral- als auch Schwermineralzusammensetzung. Beide mineralogischen Parameter zeigen die größten Differerenzen auf dem Schelf. Dort lassen sich deutlich Sedimente der Prydz Bucht von Sedimenten des MacRobertson Shelfes differenzieren. Sie stellen daher ein gutes Hilfsmittel dar, um sowohl die Herkunft von eis- als auch strömungstransportiertem Material zu rekonstruieren. Die untersuchten Sedimentkerne decken den Zeitraum der letzten 1,4 Millionen Jahre (Kontinentalhang) bzw. der letzten 12,8 tausend kal. Jahre v. H. ab (MacRobertson Schelf). Die abgelagerten Sedimente wurden i. W. durch glaziale und ozeanographische Einflüsse geprägt, aber auch durch Bioproduktion (Schelf) bzw. durch Schmelzwassereinträge und möglicherweise gravitative Prozesse (Kontinentalhang). In den Sedimenten des Kontinentalhangs sind zwei starke Enteisungsereignisse überliefert: Das erste Ereignis steht mit dem mittelpleistozänen Klimaoptimum in Verbindung, das auch in anderen antarktischen Regionen nachgewiesen wurde. Es führte in der Prydz Bucht zu einem weitreichenden Rückzug des Lambert Gletscher-Amery Schelfeises (LAIS) und gleichzeitig zu einer hohen Primärproduktion. Danach herrschten bis etwa 400 - 500 tausend Jahre v. H. stabile glaziale Bedingungen. Kalbung von Eisbergen war wahrscheinlich auf den westlichen Teil des Lambert Gletschers begrenzt, wo eine tiefere Bathymetrie auch bei niedrigerem globalen Meeresspiegel noch Aufschwimmen des Gletschereises erlaubt. Zwischen 400 - 500 tausend Jahren v. H. und vermutlich dem letzten Interglazial wurde der Gletscher schließlich wieder dynamischer, um mit oder kurz nach dem letzten Interglazial (Meeresspiegel etwa 6 - 9 m höher) eine weitere Phase deutlichen Rückzuges zu durchlaufen. Beide Ereignisse lassen sich mit Phasen der Eisreduktion in den Prinz Charles Bergen korrelieren, d.h. der Rückzug des Lambert Gletschers hatte möglicherweise ein erhöhtes Nachfließen von Eismassen aus dem Hinterland zur Folge. An den Sedimenten des Schelfkernes wurde ein neu entwickeltes Verfahren der Endmember-Modellierung erfolgreich getestet. Der Eisrückzug auf dem MacRobertson Schelf begann etwa 12,8 tausend kal. Jahre v. H. und war gegen 5,5 tausend kal. Jahre v. H. abgeschlossen. Während des Holozäns kam es zu starken Schwankungen in der Bodenwasseraktivität, die höchst wahrscheinlich mit der Neubildungsrate von Meereis in der Kap Darnley Polynia in Zusammenhang stehen. Besonders auffallend war eine erhöhte Bodenwasseraktivität am Übergang von Warm- zu Kaltphasen bzw. ihr extremer Rückgang während des Mittel-Holozänen Klimaoptimums. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Arbeit, dass sich das LAIS während des Quartärs relativ stabil gegenüber Klimaveränderungen verhalten hat. Die Bodenwasserproduktion in Polynien dagegen reagierte sehr empfindlich auf relative geringe atmosphärische Veränderungen und bedarf in Zukunft verstärkter Aufmerksamkeit.
KW  - Eisdynamik
KW  - Bodenwasser
KW  - Ostantarktis
KW  - Polynia
KW  - ice dynamics
KW  - bottom water
KW  - East Antarctica
KW  - polynya
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52620
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TY  - THES
A1  - Höchner, Andreas
T1  - GPS based analysis of earthquake induced phenomena at the Sunda Arc
T1  - GPS-basierte Analyse erdbebeninduzierter Phänomene am Sundabogen
N2  - Indonesia is one of the countries most prone to natural hazards. Complex interaction of several tectonic plates with high relative velocities leads to approximately two earthquakes with magnitude Mw>7 every year, being more than 15% of the events worldwide. Earthquakes with magnitude above 9 happen far more infrequently, but with catastrophic effects. The most severe consequences thereby arise from tsunamis triggered by these subduction-related earthquakes, as the Sumatra-Andaman event in 2004 showed. In order to enable efficient tsunami early warning, which includes the estimation of wave heights and arrival times, it is necessary to combine different types of real-time sensor data with numerical models of earthquake sources and tsunami propagation. This thesis was created as a result of the GITEWS project (German Indonesian Tsunami Early Warning System). It is based on five research papers and manuscripts. Main project-related task was the development of a database containing realistic earthquake scenarios for the Sunda Arc. This database provides initial conditions for tsunami propagation modeling used by the simulation system at the early warning center. An accurate discretization of the subduction geometry, consisting of 25x150 subfaults was constructed based on seismic data. Green’s functions, representing the deformational response to unit dip- and strike slip at the subfaults, were computed using a layered half-space approach. Different scaling relations for earthquake dimensions and slip distribution were implemented. Another project-related task was the further development of the ‘GPS-shield’ concept. It consists of a constellation of near field GPS-receivers, which are shown to be very valuable for tsunami early warning. The major part of this thesis is related to the geophysical interpretation of GPS data. Coseismic surface displacements caused by the 2004 Sumatra earthquake are inverted for slip at the fault. The effect of different Earth layer models is tested, favoring continental structure. The possibility of splay faulting is considered and shown to be a secondary order effect in respect to tsunamigenity for this event. Tsunami models based on source inversions are compared to satellite radar altimetry observations. Postseismic GPS time series are used to test a wide parameter range of uni- and biviscous rheological models of the asthenosphere. Steady-state Maxwell rheology is shown to be incompatible with near-field GPS data, unless large afterslip, amounting to more than 10% of the coseismic moment is assumed. In contrast, transient Burgers rheology is in agreement with data without the need for large aseismic afterslip. Comparison to postseismic geoid observation by the GRACE satellites reveals that even with afterslip, the model implementing Maxwell rheology results in amplitudes being too small, and thus supports a biviscous asthenosphere. A simple approach based on the assumption of quasi-static deformation propagation is introduced and proposed for inversion of coseismic near-field GPS time series. Application of this approach to observations from the 2004 Sumatra event fails to quantitatively reconstruct the rupture propagation, since a priori conditions are not fulfilled in this case. However, synthetic tests reveal the feasibility of such an approach for fast estimation of rupturing properties.
N2  - Indonesien ist eines der am stärksten von Naturkatastrophen bedrohten Länder der Erde. Die komplexe Interaktion mehrer tektonischer Platten, die sich mit hohen Relativgeschwindigkeiten zueinander bewegen, führt im Mittel zu ungefähr zwei Erdbeben mit Magnitude Mw>7 pro Jahr, was mehr als 15% der Ereignisse weltweit entspricht. Beben mit Magnitude über 9 sind weitaus seltener, haben aber katastrophale Folgen. Die schwerwiegendsten Konsequenzen hierbei werden durch Tsunamis verursacht, welche durch diese Subduktionsbeben ausgelöst werden, wie das Sumatra-Andamanen Ereignis von 2004 gezeigt hat. Um eine wirksame Tsunami-Frühwarnung zu ermöglichen, welche die Abschätzung der Wellenhöhen und Ankunftszeiten beinhaltet, ist es erforderlich, verschieden Arten von Echtzeit-Sensordaten mit numerischen Modellen für die Erdbebenquelle und Tsunamiausbreitung zu kombinieren. Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des GITEWS-Projektes (German Indonesian Tsunami Early Warning System) erstellt und umfasst fünf Fachpublikationen und Manuskripte. Projektbezogene Hauptaufgabe war die Erstellung einer Datenbank mit realistischen Bebenszenarien für den Sundabogen. Die Datenbank beinhaltet Anfangsbedingungen für die Tsunami-Ausbreitungsmodellierung und ist Teil des Simulationssystems im Frühwarnzentrum. Eine sorgfältige Diskretisierung der Subduktionsgeometrie, bestehend aus 25x150 subfaults, wurde basierend auf seismischen Daten erstellt. Greensfunktionen, welche die Deformation, hervorgerufen durch Verschiebung an den subfaults ausmachen, wurden mittels eines semianalytischen Verfahrens für den geschichteten Halbraum berechnet. Verschiedene Skalierungsrelationen für Erdbebendimension und slip-Verteilung wurden implementiert. Eine weitere projektbezogene Aufgabe war die Weiterentwicklung des ‚GPS-Schild’-Konzeptes. Dieses besteht aus einer Konstellation von GPS-Empfängern im Nahfeldbereich, welche sich als sehr wertvoll für die Tsunami-Frühwarnung erweisen. Der größere Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der geophysikalischen Interpretation von GPS-Daten. Coseismische Verschiebungen an der Erdoberfläche, ausgelöst durch das Erdbeben von 2004, werden nach slip an der Verwerfung invertiert. Die Wirkung verschiedener Erdschichtungsmodelle wird getestet und resultiert in der Bevorzugung einer kontinentalen Struktur. Die Möglichkeit von splay-faulting wird untersucht und erweist sich als zweitrangiger Effekt bezüglich der Tsunamiwirkung für dieses Ereignis. Die auf der Quelleninversion basierenden Tsunamimodelle werden mit satellitengestützen Radaraltimetriedaten verglichen. Postseismische GPS-Daten werden verwendet, um einen weiten Parameterbereich uni- und bi-viskoser Modelle der Asthenosphäre zu testen. Dabei stellt sich stationäre Maxwell-Rheologie als inkompatibel mit Nahfeld-GPS-Zeitreihen heraus, es sei denn, eine große Quantität an afterslip, entsprechend etwa 10% des coseismischen Momentes, wird angenommen. Im Gegensatz dazu ist die transiente Burgers-Rheologie ohne große Mengen an afterslip kompatibel zu den Beobachtungen. Der Vergleich mit postseismischen Geoidbeobachtungen durch die GRACE-Satelliten zeigt, dass das Modell basierend auf Maxwell-Rheologie, auch mit afterslip, zu kleine Amplituden liefert, und bekräftigt die Annahme einer biviskosen Rheologie der Asthenosphäre. Ein einfacher Ansatz, der auf einer quasi-statischen Deformationsausbreitung beruht, wird eingeführt und zur Inversion coseismischer Nahfeld-GPS-Zeitreihen vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Ansatzes auf Beobachtungen vom Sumatra-Beben von 2004 ermöglicht nicht die quantitative Rekonstruktion der Ausbreitung des Bruches, da die notwendigen Bedingungen in diesem Fall nicht erfüllt sind. Jedoch zeigen Experimente an synthetischen Daten die Gültigkeit eines solchen Ansatzes zur raschen Abschätzung der Bruchausbreitungseigenschaften.
KW  - GPS
KW  - Erdbeben
KW  - Tsunami
KW  - Rheologie
KW  - GITEWS
KW  - GPS
KW  - Earthquake
KW  - Tsunami
KW  - Rheology
KW  - GITEWS
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53166
ER  - 
TY  - THES
A1  - Guse, Björn Felix
T1  - Improving flood frequency analysis by integration of empirical and probabilistic regional envelope curves
T1  - Verbesserung der Hochwasserstatistik durch eine Integration von empirischen und probabilistischen regionalen Hüllkurven
N2  - Flood design necessitates discharge estimates for large recurrence intervals. However, in a flood frequency analysis, the uncertainty of discharge estimates increases with higher recurrence intervals, particularly due to the small number of available flood data. Furthermore, traditional distribution functions increase unlimitedly without consideration of an upper bound discharge. Hence, additional information needs to be considered which is representative for high recurrence intervals. Envelope curves which bound the maximum observed discharges of a region are an adequate regionalisation method to provide additional spatial information for the upper tail of a distribution function. Probabilistic regional envelope curves (PRECs) are an extension of the traditional empirical envelope curve approach, in which a recurrence interval is estimated for a regional envelope curve (REC). The REC is constructed for a homogeneous pooling group of sites. The estimation of this recurrence interval is based on the effective sample years of data considering the intersite dependence among all sites of the pooling group. The core idea of this thesis was an improvement of discharge estimates for high recurrence intervals by integrating empirical and probabilistic regional envelope curves into the flood frequency analysis. Therefore, the method of probabilistic regional envelope curves was investigated in detail. Several pooling groups were derived by modifying candidate sets of catchment descriptors and settings of two different pooling methods. These were used to construct PRECs. A sensitivity analysis shows the variability of discharges and the recurrence intervals for a given site due to the different assumptions. The unit flood of record which governs the intercept of PREC was determined as the most influential aspect. By separating the catchments into nested and unnested pairs, the calculation algorithm for the effective sample years of data was refined. In this way, the estimation of the recurrence intervals was improved, and therefore the use of different parameter sets for nested and unnested pairs of catchments is recommended. In the second part of this thesis, PRECs were introduced into a distribution function. Whereas in the traditional approach only discharge values are used, PRECs provide a discharge and its corresponding recurrence interval. Hence, a novel approach was developed, which allows a combination of the PREC results with the traditional systematic flood series while taking the PREC recurrence interval into consideration. An adequate mixed bounded distribution function was presented, which in addition to the PREC results also uses an upper bound discharge derived by an empirical envelope curve. By doing so, two types of additional information which are representative for the upper tail of a distribution function were included in the flood frequency analysis. The integration of both types of additional information leads to an improved discharge estimation for recurrence intervals between 100 and 1000 years.
N2  - Abschätzungen von Abflüssen mit hohen Wiederkehrintervallen werden vor allem für die Bemessung von Extremhochwässern benötigt. In der Hochwasserstatistik bestehen insbesondere für hohe Wiederkehrintervalle große Unsicherheiten, da nur eine geringe Anzahl an Messwerten für Hochwasserereignisse verfügbar ist. Zudem werden zumeist Verteilungsfunktionen verwendet, die keine obere Grenze beinhalten. Daher müssen zusätzliche Informationen zu den lokalen Pegelmessungen berücksichtigt werden, die den Extrembereich einer Verteilungsfunktion abdecken. Hüllkurven ermitteln eine obere Grenze von Hochwasserabflüssen basierend auf beobachteten maximalen Abflusswerten. Daher sind sie eine geeignete Regionalisierungsmethode. Probabilistische regionale Hüllkurven sind eine Fortentwicklung des herkömmlichen Ansatzes der empirischen Hüllkurven. Hierbei wird einer Hüllkurve einer homogenen Region von Abflusspegeln ein Wiederkehrintervall zugeordnet. Die Berechnung dieses Wiederkehrintervalls basiert auf der effektiven Stichprobengröße und berücksichtigt die Korrelationsbeziehungen zwischen den Pegeln einer Region. Ziel dieser Arbeit ist eine Verbesserung der Abschätzung von Abflüssen mit großen Wiederkehrintervallen durch die Integration von empirischen und probabilistischen Hüllkurven in die Hochwasserstatistik. Hierzu wurden probabilistische Hüllkurven detailliert untersucht und für eine Vielzahl an homogenen Regionen konstruiert. Hierbei wurden verschiedene Kombinationen von Einzugsgebietsparametern und Variationen von zwei Gruppierungsmethoden verwendet. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt die Variabilität von Abfluss und Wiederkehrintervall zwischen den Realisationen als Folge der unterschiedlichen Annahmen. Die einflussreichste Größe ist der maximale Abfluss, der die Höhe der Hüllkurve bestimmt. Eine Einteilung in genestete und ungenestete Einzugsgebiete führt zu einer genaueren Ermittlung der effektiven Stichprobe und damit zu einer verbesserten Abschätzung des Wiederkehrintervalls. Daher wird die Verwendung von zwei getrennten Parametersätzen für die Korrelationsfunktion zur Abschätzung des Wiederkehrintervalls empfohlen. In einem zweiten Schritt wurden die probabilistischen Hüllkurven in die Hochwasserstatistik integriert. Da in traditionellen Ansätzen nur Abflusswerte genutzt werden, wird eine neue Methode präsentiert, die zusätzlich zu den gemessenen Abflusswerten die Ergebnisse der probabilistischen Hüllkurve – Abfluss und zugehöriges Wiederkehrintervall - berücksichtigt. Die Wahl fiel auf eine gemischte begrenzte Verteilungsfunktion, die neben den probabilistischen Hüllkurven auch eine absolute obere Grenze, die mit einer empirischen Hüllkurve ermittelt wurde, beinhaltet. Damit werden zwei Arten von zusätzlichen Informationen verwendet, die den oberen Bereich einer Verteilungsfunktion beschreiben. Die Integration von beiden führt zu einer verbesserten Abschätzung von Abflüssen mit Wiederkehrintervallen zwischen 100 und 1000 Jahren.
KW  - Hochwasserstatistik
KW  - Hochwasserregionalisierung
KW  - Probabilistische Regionale Hüllkurven
KW  - Verteilungsfunktionen mit einer oberen Grenze
KW  - Flood frequency analysis
KW  - Flood regionalisation
KW  - Probabilistic regional envelope curves
KW  - Distribution functions with upper bound
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49265
ER  -