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  - GEN
A1  - Krüger, Frank
A1  - Ohrnberger, Matthias
A1  - Rößler, Dirk
T1  - Rupture imaging of large earthquakes with a poststack isochrone migration method
N2  - Rapid and robust characterization of large earthquakes in terms of their spatial extent and temporal duration is of high importance for disaster mitigation and early warning applications. Backtracking of seismic P-waves was successfully used by several authors to image the rupture process of the great Sumatra earthquake (26.12.2004) using short period and broadband arrays. We follow here an approach of Walker et al. to backtrack and stack broadband waveforms from global network stations using traveltimes for a global Earth model to obtain the overall spatio-temporal development of the energy radiation of large earthquakes in a quick and robust way. We present results for selected events with well studied source processes (Kokoxili 14.11.2001, Tokachi-Oki 25.09.2003, Nias 28.03.2005). Further, we apply the technique in a semi-real time fashion to broadband data of earthquakes with a broadband magnitude >= 7 (roughly corresponding to Mw 6.5). Processing is based on first automatic detection messages from the GEOFON extended virtual network (GEVN).
KW  - Seismologie
KW  - Erdbeben
KW  - Array Seismologie
KW  - Migration
KW  - Seismology
KW  - Earthquake
KW  - Array Seismology
KW  - Migration
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18395
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Rößler, Dirk
A1  - Krüger, Frank
A1  - Ohrnberger, Matthias
T1  - Automatic near real-time characterisation of large earthquakes
N2  - We use seismic array methods (semblance analysis) to image areas of seismic energy release in the Sunda Arc region and world-wide. Broadband seismograms at teleseismic distances (30° ≤ Δ ≤ 100°) are compared at several subarrays. Semblance maps of different subarrays are multiplied. High semblance tracked over long time (10s of second to minutes) and long distances indicate locations of earthquakes. The method allows resolution of rupture characteristics important for tsunami early warning: start and duration, velocity and direction, length and area. The method has been successfully applied to recent and historic events (M>6.5) and is now operational in real time. Results are obtained shortly after source time, see http://www.geo.uni-potsdam.de/Forschung/Geophysik/GITEWS/tsunami.htm). Comparison of manual and automatic processing are in good agreement. Computational effort is small. Automatic results may be obtained within 15 - 20 minutes after event occurrence.
KW  - Seismology
KW  - Earthquake
KW  - Tsunami
KW  - Array Seismology
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18382
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Rößler, Dirk
A1  - Krüger, Frank
A1  - Ohrnberger, Matthias
T1  - Rupture propagation of recent large TsE off-coast Sumatra and Java
N2  - The spatio-temporal evolution of the three recent tsunamogenic earthquakes (TsE) off-coast N-Sumatra (Mw9.3), 28/03/2005 (Mw8.5) off-coast Nias, on 17/07/2006 (Mw7.7) off-coast Java. Start time, duration, and propagation of the rupture are retrieved. All parameters can be obtained rapidly after recording of the first-arrival phases in near-real time processing. We exploit semblance analysis, backpropagation and broad-band seismograms within 30°-95° distance. Image enhancement is reached by stacking the semblance of arrays within different directions. For the three events, the rupture extends over about 1150, 150, and 200km, respectively. The events in 2004, 2005, and 2006 had source durations of at least 480s, 120s, and 180s, respectively. We observe unilateral rupture propagation for all events except for the rupture onset and the Nias event, where there is evidence for a bilateral start of the rupture. Whereas average rupture speed of the events in 2004 and 2005 is in the order of the S-wave speed (≈2.5-3km/s), unusually slow rupturing (≈1.5 km/s) is indicated for the July 2006 event. For the July 2006 event we find rupturing of a 200 x 100 km wide area in at least 2 phases with propagation from NW to SE. The event has some characteristics of a circular rupture followed by unilateral faulting with change in slip rate. Fault area and aftershock distribution coincide. Spatial and temporal resolution are frequency dependent. Studies of a Mw6.0 earthquake on 2006/09/21 and one synthetic source show a ≈1° limit in resolution. Retrieved source area, source duration as well as peak values for semblance and beam power generally increase with the size of the earthquake making possible an automatic detection and classification of large and small earthquakes.
KW  - Tsunami
KW  - Erdbeben
KW  - Indischer Ozean
KW  - Bruchausbreitung
KW  - Seismologie
KW  - Tsunami
KW  - Earthquake
KW  - Indonesia
KW  - Indian Ocean
KW  - Rupture Propagation
KW  - Seismology
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13039
ER  -