TY - JOUR A1 - Illien, Luc A1 - Sens-Schönfelder, Christoph A1 - Andermann, Christoff A1 - Marc, Odin A1 - Cook, Kristen L. A1 - Adhikari, Lok Bijaya A1 - Hovius, Niels T1 - Seismic velocity recovery in the subsurface BT - transient damage and groundwater drainage following the 2015 Gorkha Earthquake, Nepal JF - Journal of geophysical research : Solid earth N2 - Shallow earthquakes frequently disturb the hydrological and mechanical state of the subsurface, with consequences for hazard and water management. Transient post-seismic hydrological behavior has been widely reported, suggesting that the recovery of material properties (relaxation) following ground shaking may impact groundwater fluctuations. However, the monitoring of seismic velocity variations associated with earthquake damage and hydrological variations are often done assuming that both effects are independent. In a field site prone to highly variable hydrological conditions, we disentangle the different forcing of the relative seismic velocity variations delta v retrieved from a small dense seismic array in Nepal in the aftermath of the 2015 M-w 7.8 Gorkha earthquake. We successfully model transient damage effects by introducing a universal relaxation function that contains a unique maximum relaxation timescale for the main shock and the aftershocks, independent of the ground shaking levels. Next, we remove the modeled velocity from the raw data and test whether the corresponding residuals agree with a background hydrological behavior we inferred from a previously calibrated groundwater model. The fitting of the delta v data with this model is improved when we introduce transient hydrological properties in the phase immediately following the main shock. This transient behavior, interpreted as an enhanced permeability in the shallow subsurface, lasts for similar to 6 months and is shorter than the damage relaxation (similar to 1 yr). Thus, we demonstrate the capability of seismic interferometry to deconvolve transient hydrological properties after earthquakes from non-linear mechanical recovery. KW - earthquake damage KW - earthquake hydrology KW - relaxation KW - Gorkha earthquake KW - seismic monitoring KW - ambient noise Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1029/2021JB023402 SN - 2169-9313 SN - 2169-9356 VL - 127 IS - 2 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Illien, Luc T1 - Time-dependent properties of the shallow subsurface BT - groundwater and earthquake damage dynamics from seismic interferometry N2 - The shallow Earth’s layers are at the interplay of many physical processes: some being driven by atmospheric forcing (precipitation, temperature...) whereas others take their origins at depth, for instance ground shaking due to seismic activity. These forcings cause the subsurface to continuously change its mechanical properties, therefore modulating the strength of the surface geomaterials and hydrological fluxes. Because our societies settle and rely on the layers hosting these time-dependent properties, constraining the hydro-mechanical dynamics of the shallow subsurface is crucial for our future geographical development. One way to investigate the ever-changing physical changes occurring under our feet is through the inference of seismic velocity changes from ambient noise, a technique called seismic interferometry. In this dissertation, I use this method to monitor the evolution of groundwater storage and damage induced by earthquakes. Two research lines are investigated that comprise the key controls of groundwater recharge in steep landscapes and the predictability and duration of the transient physical properties due to earthquake ground shaking. These two types of dynamics modulate each other and influence the velocity changes in ways that are challenging to disentangle. A part of my doctoral research also addresses this interaction. Seismic data from a range of field settings spanning several climatic conditions (wet to arid climate) in various seismic-prone areas are considered. I constrain the obtained seismic velocity time-series using simple physical models, independent dataset, geophysical tools and nonlinear analysis. Additionally, a methodological development is proposed to improve the time-resolution of passive seismic monitoring. N2 - Die oberflächennahen Erdschichten sind ein Zusammenspiel vieler physikalischer Prozesse: Einige werden durch atmosphärische Einflüsse (Niederschlag, Temperatur...) angetrieben, während andere ihren Ursprung im Untergrund haben, beispielsweise Bodenerschütterungen aufgrund seismischer Aktivität. Diese Kräfte führen zu sich ständig ändernden mechanische Eigenschaften des Untergrunds, und damit auch Änderungen der Festigkeit der Geomaterialien der Oberfläche, sowie der Wasserflüsse. Als Gesellschaft leben wir auf der Erdoberfläche, und sind auf diese zeitabhängigen Eigenschaften angewiesen. Für unsere zukünftige, geographische Entwicklung ist es daher essentiell, die hydromechanischen Dynamiken des flachen Untergrunds zu verstehen. Eine Möglichkeit, die sich stetig ändernden physikalischen Eigenschaften unter unseren Füßen zu untersuchen, ist die Ableitung seismischer Geschwindigkeitsänderungen aus dem Umgebungslärm, mit Hilfe einer Technik namens seismische Interferometrie. In dieser Dissertation verwende ich diese Methode, um die Entwicklung der Grundwasserspeicherung, sowie durch Erdbeben verursachte Schäden zu untersuchen. Es werden zwei Forschungslinien untersucht, diese umfassen die Hauptkontrollen der Grundwasserneubildung in steilen Landschaften und die Vorhersagbarkeit und Dauer der transienten physikalischen Eigenschaften aufgrund von Erdbebenerschütterungen. Beide Dynamiken beeinflussen sich gegenseitig, sowie die Geschwindigkeitsänderungen im Untergrund in einer Weise, die schwer zu entschlüsseln ist. Ein Teil dieser Doktorarbeit behandelt daher auch diese Wechselwirkung. Wir verwenden seismische Daten, die unter verschiedenen klimatischen Bedingungen (feuchtes bis trockenes Klima) in mehreren, seismisch gefährdeten Gebieten erhoben wurden. Die gewonnenen seismischen Geschwindigkeitszeitreihen werden mit Hilfe einfacher, physikalischer Modelle, unabhängiger Datensätze, geophysikalischer Instrumente und nichtlinearer Analysen untersucht. Darüber hinaus wird eine methodische Entwicklung vorgeschlagen, um die zeitliche Auflösung des passiven, seismischen Monitorings zu verbessern. KW - seismology KW - seismic noise KW - mountain hydrology KW - earthquake damage KW - geomechanics KW - geophysics KW - Erdbebenschäden KW - Geomechanik KW - Geophysik KW - Gebirgshydrologie KW - seismisches Rauschen KW - Seismologie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599367 ER -