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 ER - TY - JOUR A1 - Kwiatek, Grzegorz A1 - Martinez-Garzon, Patricia A1 - Dresen, Georg A1 - Bohnhoff, Marco A1 - Sone, Hiroki A1 - Hartline, Craig T1 - Effects of long-term fluid injection on induced seismicity parameters and maximum magnitude in northwestern part of The Geysers geothermal field JF - Journal of geophysical research : Solid earth N2 - The long-term temporal and spatial changes in statistical, source, and stress characteristics of one cluster of induced seismicity recorded at The Geysers geothermal field (U.S.) are analyzed in relation to the field operations, fluid migration, and constraints on the maximum likely magnitude. Two injection wells, Prati-9 and Prati-29, located in the northwestern part of the field and their associated seismicity composed of 1776 events recorded throughout a 7year period were analyzed. The seismicity catalog was relocated, and the source characteristics including focal mechanisms and static source parameters were refined using first-motion polarity, spectral fitting, and mesh spectral ratio analysis techniques. The source characteristics together with statistical parameters (b value) and cluster dynamics were used to investigate and understand the details of fluid migration scheme in the vicinity of injection wells. The observed temporal, spatial, and source characteristics were clearly attributed to fluid injection and fluid migration toward greater depths, involving increasing pore pressure in the reservoir. The seasonal changes of injection rates were found to directly impact the shape and spatial extent of the seismic cloud. A tendency of larger seismic events to occur closer to injection wells and a correlation between the spatial extent of the seismic cloud and source sizes of the largest events was observed suggesting geometrical constraints on the maximum likely magnitude and its correlation to the average injection rate and volume of fluids present in the reservoir. KW - fluid-induced seismicity KW - maximum magnitude KW - reservoir characterization KW - source parameters KW - passive seismic monitoring Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1002/2015JB012362 SN - 2169-9313 SN - 2169-9356 VL - 120 IS - 10 SP - 7085 EP - 7101 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Kwiatek, Grzegorz A1 - Martinez-Garzon, Patricia A1 - Plenkers, K. A1 - Leonhardt, Maria A1 - Zang, Arno A1 - von Specht, Sebastian A1 - Dresen, Georg A1 - Bohnhoff, Marco T1 - Insights into complex subdecimeter fracturing processes occurring during a water injection experiment at depth in Aspo Hard Rock Laboratory, Sweden JF - Journal of geophysical research : Solid earth N2 - We investigate the source characteristics of picoseismicity (M-w < -2) recorded during a hydraulic fracturing in situ experiment performed in the underground Aspo Hard Rock Laboratory, Sweden. The experiment consisted of six stimulations driven by three different water injection schemes and was performed inside a 28-m-long, horizontal borehole located at 410-m depth. The fracturing processes were monitored with a variety of seismic networks including broadband seismometers, geophones, high-frequency accelerometers, and acoustic emission sensors thereby covering a wide frequency band between 0.01 and 100,000Hz. Here we study the high-frequency signals with dominant frequencies exceeding 1000 Hz. The combined seismic network allowed for detection and detailed analysis of 196 small-scale seismic events with moment magnitudes M-W < -3.5 (source sizes of decimeter scale) that occurred solely during the stimulations and shortly after. The double-difference relocated hypocenter catalog as well as source parameters were used to study the physical characteristics of the induced seismicity and then compared to the stimulation parameters. We observe a spatiotemporal migration of the picoseismic events away and toward the injection intervals in direct correlation with changes in the hydraulic energy (product of fluid injection pressure and injection rate). We find that the total radiated seismic energy is extremely low with respect to the product of injected fluid volume and pressure (hydraulic energy). The radiated seismic energy correlates well with the hydraulic energy rate. The obtained fault plane solutions for particularly well-characterized events signify the reactivation of preexisting rock defects under influence of increased pore fluid pressure on fault plane orientations in good correspondence with the local stress field orientation. KW - induced seismicity KW - fracking KW - picoseismicity KW - seismomechanics KW - source parameters KW - maximum magnitude Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1029/2017JB014715 SN - 2169-9313 SN - 2169-9356 VL - 123 IS - 8 SP - 6616 EP - 6635 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER -