TY - THES A1 - Sharma, Shubham T1 - Integrated approaches to earthquake forecasting T1 - Integrierte Ansätze zur Vorhersage von Erdbeben BT - insights from Coulomb stress, seismotectonics, and aftershock sequences BT - Erkenntnisse aus Coulomb-Stress, Seismotektonik und Nachbebenfolgen N2 - A comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment. The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFS with predefined receiver mechanisms. To challenge these propositions, I utilized 289 slip inversions from the SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered-half space and variable receiver mechanisms. The analysis also investigates the impact of magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration on the ranking of stress metrics using receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results reveal the performance of stress metrics significantly improves after accounting for receiver variability and for larger aftershocks and shorter time periods, without altering the relative ranking of the different stress metrics. To corroborate Coulomb stress calculations with the findings of earthquake source studies in more detail, I studied the source properties of the 2005 Kashmir earthquake and its aftershocks, aiming to unravel the seismotectonics of the NW Himalayan syntaxis. I simultaneously relocated the mainshock and its largest aftershocks using phase data, followed by a comprehensive analysis of Coulomb stress changes on the aftershock planes. By computing the Coulomb failure stress changes on the aftershock faults, I found that all large aftershocks lie in regions of positive stress change, indicating triggering by either co-seismic or post-seismic slip on the mainshock fault. Finally, I investigated the relationship between mainshock-induced stress changes and associated seismicity parameters, in particular those of the frequency-magnitude (Gutenberg-Richter) distribution and the temporal aftershock decay (Omori-Utsu law). For that purpose, I used my global data set of 127 mainshock-aftershock sequences with the calculated Coulomb Stress (ΔCFS) and the alternative receiver-independent stress metrics in the vicinity of the mainshocks and analyzed the aftershocks properties depend on the stress values. Surprisingly, the results show a clear positive correlation between the Gutenberg-Richter b-value and induced stress, contrary to expectations from laboratory experiments. This observation highlights the significance of structural heterogeneity and strength variations in seismicity patterns. Furthermore, the study demonstrates that aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the Omori-Utsu parameters c and p systematically decrease with increasing stress changes. These partly unexpected findings have significant implications for future estimations of aftershock hazard. The findings in this thesis provides valuable insights into earthquake triggering mechanisms by examining the relationship between stress changes and aftershock occurrence. The results contribute to improved understanding of earthquake behavior and can aid in the development of more accurate probabilistic-seismic hazard forecasts and risk reduction strategies. N2 - Ein umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern. Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Nachbebenmechanismen (Empfänger). Neueste Studien deuten darauf hin dass alternative Spannungsgrößen und Deep-Learning-Ansätze gegenüber CFS mit vordefinierten Empfängermechanismen. Um diese Ergebnisse zu hinterfragen, habe ich 289 Slip-inversion uberlegensind aus der SRCMOD-Datenbank verwendet, um realistischere CFS-Werte für einen geschichteten Halbraum und variable Empfängermechanismen zu berechnen. Dabei habe ich auch den Einfluss von Magnitudenschwellenwerten, Gittergrößenvariationen und der Nachbeben-Dauer auf die vorhersagemöglichkeiten der Spannungsmetriken unter Verwendung der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die berudzsidtizung von variablen Empfangermechanism und größere Nachbeben und kürzere Zeiträume die vorhersagekraft steigern, wobei die relative Rangfolge der verschiedenen Spannungsmetriken nicht geändert wird. Um die Coulomb Spannungsberechnungen genauer mit den Ergebnissen von Erdbebenstudien abzugleichen, habe ich die Quelleneigenschaften des Erdbebens von Kaschmir aus dem Jahr 2005 und seiner Nachbeben mit dem ziel, die Seismotektonik des NW-Himalaya Syntaxis zu entschlüsseln, detailliert untersucht. Ich habe gleichzeitig das Hauptbeben und seine größten Nachbeben unter Verwendung von seismischen Phaseneinsetzen relokalisiert und anschließend eine umfassende Analyse der Coulomb Spannungsänderungen auf den Bruchflächen der Nachbeben durchgeführt. Durch die Berechnung der Coulomb Spannungsänderungen an den während der Nachbeben aktivierten Störungen konnte ich herausfinden, dass alle großen Nachbeben in Regionen mit positiven Spannungsänderungen liegen, was auf eine Auslösung durch entweder ko-seismische oder post-seismische Verschiebungen des Hauptbebens hinweist. Schließlich habe ich die Beziehung zwischen den durch Hauptbeben verursachten Spannungsänderungen und den damit verbundenen seismischen Parametern untersucht, insbesondere denen der Häufigkeits-Magnituden (Gutenberg-Richter) Verteilung und des zeitlichen Nachbebenabklingens (Omori-Utsu-Gesetz). Zu diesem Zweck habe ich meinen globalen Datensatz von 127 Hauptbeben-Nachbeben-Sequenzen mit den in der Umgebung der Hauptbeben berechneten Coulomb Spannungen ($\Delta$CFS) zusammen mit den alternativen, empfänger-unabhängigen Spannungsmetriken, verwendet und die Eigenschaften in Abhängigkeit der Spannungswerte analysiert. Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse eine klar positive Korrelation zwischen dem $b$-Wert der Gutenberg-Richter-Verteilung und der induzierten Spannung, was im Kontrast zu den Erwartungen aus Laborexperimenten steht. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung struktureller Heterogenitäten und Festigkeitsvariationen in seismischen Mustern. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Anzahl von Nachbeben nichtlinear mit der Spannung zunimmt, während die Omori-Utsu-Parameter $c$ und $p$ systematisch mit zunehmenden Spannungsänderungen abnehmen. Diese teilweise unerwarteten Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf zukünftige Abschätzungen der Nachbebengefahr. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Erdbebenauslösung, indem sie die Beziehung zwischen Spannungsänderungen und dem Auftreten von Nachbeben untersuchen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Erdbeben bei und können bei der Entwicklung genauerer probabilistischer, seismischer Gefahreneinschätzungen und Risikominderungsstrategien helfen. KW - earthquake KW - forecasting KW - hazards KW - seismology KW - Erdbeben KW - Vorhersage KW - Gefahren KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636125 ER - TY - THES A1 - Lilienkamp, Henning T1 - Enhanced computational approaches for data-driven characterization of earthquake ground motion and rapid earthquake impact assessment T1 - Fortgeschrittene Berechnungsansätze für die datengestützte Charakterisierung von Erdbeben-Bodenbewegungen und die schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen N2 - Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations. The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model. In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available. The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets. N2 - Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt. Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt. Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen. KW - seismology KW - machine learning KW - deep learning KW - ground motion modeling KW - seismic hazard KW - rapid earthquake impact assessment KW - geophysics KW - Deep Learning KW - Geophysik KW - Bodenbewegungsmodellierung KW - maschinelles Lernen KW - schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen KW - seismische Gefährdung KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631954 ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - Finite fault earthquake source inversions T1 - Ausgedehnte Erdbebenquellinversion BT - implementation and testing of a novel physics-based rupture model BT - Implementierung und Validierung eines neuen selbst-ähnlichen Bruchmodels N2 - Earthquake modeling is the key to a profound understanding of a rupture. Its kinematics or dynamics are derived from advanced rupture models that allow, for example, to reconstruct the direction and velocity of the rupture front or the evolving slip distribution behind the rupture front. Such models are often parameterized by a lattice of interacting sub-faults with many degrees of freedom, where, for example, the time history of the slip and rake on each sub-fault are inverted. To avoid overfitting or other numerical instabilities during a finite-fault estimation, most models are stabilized by geometric rather than physical constraints such as smoothing. As a basis for the inversion approach of this study, we build on a new pseudo-dynamic rupture model (PDR) with only a few free parameters and a simple geometry as a physics-based solution of an earthquake rupture. The PDR derives the instantaneous slip from a given stress drop on the fault plane, with boundary conditions on the developing crack surface guaranteed at all times via a boundary element approach. As a side product, the source time function on each point on the rupture plane is not constraint and develops by itself without additional parametrization. The code was made publicly available as part of the Pyrocko and Grond Python packages. The approach was compared with conventional modeling for different earthquakes. For example, for the Mw 7.1 2016 Kumamoto, Japan, earthquake, the effects of geometric changes in the rupture surface on the slip and slip rate distributions could be reproduced by simply projecting stress vectors. For the Mw 7.5 2018 Palu, Indonesia, strike-slip earthquake, we also modelled rupture propagation using the 2D Eikonal equation and assuming a linear relationship between rupture and shear wave velocity. This allowed us to give a deeper and faster propagating rupture front and the resulting upward refraction as a new possible explanation for the apparent supershear observed at the Earth's surface. The thesis investigates three aspects of earthquake inversion using PDR: (1) to test whether implementing a simplified rupture model with few parameters into a probabilistic Bayesian scheme without constraining geometric parameters is feasible, and whether this leads to fast and robust results that can be used for subsequent fast information systems (e.g., ground motion predictions). (2) To investigate whether combining broadband and strong-motion seismic records together with near-field ground deformation data improves the reliability of estimated rupture models in a Bayesian inversion. (3) To investigate whether a complex rupture can be represented by the inversion of multiple PDR sources and for what type of earthquakes this is recommended. I developed the PDR inversion approach and applied the joint data inversions to two seismic sequences in different tectonic settings. Using multiple frequency bands and a multiple source inversion approach, I captured the multi-modal behaviour of the Mw 8.2 2021 South Sandwich subduction earthquake with a large, curved and slow rupturing shallow earthquake bounded by two faster and deeper smaller events. I could cross-validate the results with other methods, i.e., P-wave energy back-projection, a clustering analysis of aftershocks and a simple tsunami forward model. The joint analysis of ground deformation and seismic data within a multiple source inversion also shed light on an earthquake triplet, which occurred in July 2022 in SE Iran. From the inversion and aftershock relocalization, I found indications for a vertical separation between the shallower mainshocks within the sedimentary cover and deeper aftershocks at the sediment-basement interface. The vertical offset could be caused by the ductile response of the evident salt layer to stress perturbations from the mainshocks. The applications highlight the versatility of the simple PDR in probabilistic seismic source inversion capturing features of rather different, complex earthquakes. Limitations, as the evident focus on the major slip patches of the rupture are discussed as well as differences to other finite fault modeling methods. N2 - Erdbebenmodelle sind der Schlüssel zu einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Bruchprozesse. Die kinematischen oder dynamischen Brucheigenschaften werden mit Hilfe von ausgedehnten Bruchmodellen bestimmt. Dadurch können Details, wie z.B. die Bruchrichtung und -geschwindigkeit oder die Verschiebungsverteilung, aufgelöst werden. Häufig sind ausgedehnte Bruchmodelle durch sehr viele freie Parameter definiert, etwa individuelle Verschiebungen und Verschiebungsrichtungen auf den diskretisierten Bruchflächenelementen. Die große Anzahl an Parametern sorgt dafür, dass Inversionsprobleme hochgradig unterbestimmt sind. Um daraus resultierende numerische Instabilitäten zu verhinden, werden diese Modelle häufig mit zusätzlichen eher geometrischen als physikalischen Annahmen stabilisiert, z.B. im Bezug auf die Rauigkeit der Verschiebung auf der Bruchfläche. Die Basis für die Inversionsmethode in dieser Dissertaton bildet das von uns entwickelete pseudo-dynamische Bruchmodel (PDR). Die PDR basiert auf wenigen freien Parametern und einer simplen, planaren Geometrie und ergibt eine physik-gestützte Lösung für Erdbebenbrüche. Die PDR bestimmt die instantane Verschiebung basierend auf gegebenen Spannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die Randbedingung der Spannungsänderung wird dabei zu jedem Zeitpunkt der Bruchentwicklung über eine Randelementmethode eingehalten. Als Nebenprodukt dessen kann die Herdzeitfunktion an jedem Punkt der Bruchfläche als Ergebnis des Models bestimmt werden, und muss daher nicht vorher definiert werden. Der PDR-Modellierungsansatz wurde mit anderen Modellen anhand verschiedener Erdbeben verglichen. Am Beispiel des Mw 7,1 2016 Kumamoto, Japan, Bebens konnte der Effekt einer gekrümmten Bruchfläche auf die daraus resultierenden Verschiebungsverteilung und Verschiebungsraten durch eine Projezierung der Spannungsvektoren reproduziert werden. Für das Mw 7,5 2018 Palu, Indonesien, Beben haben wir die Bruchausbreitung auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung und basierend auf einem angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Bruch- und Scherwellengeschwindigkeit modelliert. Dadurch konnten wir die beobachtete Supershear-Bruchausbreitung als Ergebnis einer möglichen tiefen und daher schnelleren Bruchfront mit einer Abstrahlung an die Erdoberfläche erklären. Der PDR-Vorwärtsmodellierungs-Code wurde in den Open-Source Python Paketen Pyrocko und Grond veröffentlicht. Meine Dissertation beleuchtet drei Aspekte der Erdbebeninversion unter Zuhilfenahme der PDR: (1) Ist eine Implementation eines simplen Bruchmodels mit wenigen Parametern in ein probabalistisches Bayesisches Inversionsprogramm möglich? Kann dies schnelle und robuste Ergebnisse für weitere Folgeanwendungen, wie Bodenbeschleunigungsvorhersagen, liefern? (2) Wie hilft die Kombination aus seismischen Breitband- und Accelerometerdaten mit Nahfelddeformationsdaten, Inversionsergebnisse mit der PDR zu verbessern? (3) Können komplexe Brüche über einen multiplen PDR-Quellinversionsansatz aufgelöst werden und wenn ja, wann ist dies möglich? Ich habe den PDR-Inversionsansatz entwickelt und auf zwei Erdbeben-Sequenzen in verschiedenen tektonischen Umgebungen angewandt. Mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen in mehreren Frequenzbändern innerhalb von einfachen und multiplen Bruchflächeninversionen konnte ich das multi-modale Mw 8,2 2021 South Sandwich Erdbeben characterisieren. Dieses bestand aus einem langen, flachen, langsam brechenden Beben entlang der gekrümmten Subduktionszone, welches durch zwei kleinere, tiefere Brüche mit schnelleren Bruchgeschwindigkeiten begrenzt wurde. Die Validierung mit Ergebnissen aus einer P-Wellen Back-Projection, der Clusteranalyse von Nachbeben und einer Tsunami-Modelierung zeigten eine hohe Konsistenz mit den PDR-Resultaten. Die Kombination von seismischen Daten und Oberflächendeformationen in einer multiplen PDR-Inversion habe ich auch zur Analyse eines Beben-Triplets vom Juni 2022 im Südosten des Irans genutzt. Die Inversionen konnten im Zusammenspiel mit relokalisierten Nachbeben einen neuen Fall von vertikaler Haupt-/Nachbebenseparation auflösen. Während die großen Hauptbeben im flachen Sediment stattfanden, sind die Nachbeben hauptsächlich entlang der tieferen Grenzfläche zwischen Sediment und kristallinem Grundgebirge aufgetreten. Eine Erklärung dafür ist das duktile Fließen einer vorhandenen Salzschicht auf der Grenzfläche, ausgelöst durch Spannungsänderungen im Zuge der Hauptbeben. Die Anwendungen konnten die Vielseitigkeit der PDR als simples Quellmodel innerhalb von seismischen Quellinversionen zeigen. Limitierungen der Inversion, wie der augenscheinliche Fokus auf den Hauptverschiebungsbereich eines Bebens, werden in dieser Arbeit genauso diskutiert wie die Einordnung der PDR im Vergleich zu anderen ausgedehnten Quellmodellen. KW - seismology KW - inversion KW - source model KW - Seismologie KW - Inversion KW - Bruchmodel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619745 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 - TY - THES A1 - Metzger, Sabrina T1 - Neotectonic deformation over space and time as observed by space-based geodesy T1 - Über die Vermessung neotektonischer Deformation in Raum und mit Hilfe von satellitengestützter Geodäsie N2 - Alfred Wegeners ideas on continental drift were doubted for several decades until the discovery of polarization changes at the Atlantic seafloor and the seismic catalogs imaging oceanic subduction underneath the continental crust (Wadati-Benioff Zone). It took another 20 years until plate motion could be directly observed and quantified by using space geodesy. Since then, it is unthinkable to do neotectonic research without the use of satellite-based methods. Thanks to a tremendeous increase of instrumental observations in space and time over the last decades we significantly increased our knowledge on the complexity of the seismic cycle, that is, the interplay of tectonic stress build up and release. Our classical assumption, earthquakes were the only significant phenomena of strain release previously accumulated in a linear fashion, is outdated. We now know that this concept is actually decorated with a wide range of slow and fast processes such as triggered slip, afterslip, post-seismic and visco-elastic relaxation of the lower crust, dynamic pore-pressure changes in the elastic crust, aseismic creep, slow slip events and seismic swarms. On the basis of eleven peer-reviewed papers studies I here present the diversity of crustal deformation processes. Based on time-series analyses of radar imagery and satellited-based positioning data I quantify tectonic surface deformation and use numerical and analytical models and independent geologic and seismologic data to better understand the underlying crustal processes. The main part of my work focuses on the deformation observed in the Pamir, the Hindu Kush and the Tian Shan that together build the highly active continental collision zone between Northwest-India and Eurasia. Centered around the Sarez earthquake that ruptured the center of the Pamir in 2015 I present diverse examples of crustal deformation phenomena. Driver of the deformation is the Indian indenter, bulldozing into the Pamir, compressing the orogen that then collapses westward into the Tajik depression. A second natural observatory of mine to study tectonic deformation is the oceanic subduction zone in Chile that repeatedly hosts large earthquakes of magnitude 8 and more. These are best to study post-seismic relaxation processes and coupling of large earthquake. My findings nicely illustrate how complex fashion and how much the different deformation phenomena are coupled in space and time. My publications contribute to the awareness that the classical concept of the seismic cycle needs to be revised, which, in turn, has a large influence in the classical, probabilistic seismic hazard assessment that primarily relies on statistically solid recurrence times. N2 - Alfred Wegeners Thesen des Kontinentaldrifts fanden erst in den 1960er und 1970er Jahren Akzeptanz, als die krustalen Polarisationswechsel auf dem atlantischen Meeresboden entdeckt wurden und Erdbebenkataloge das Abtauchen von ozeanischer Kruste unter kontinentale Kruste abbildeten (Wadati-Benioff-Zone). Es dauerte jedoch weitere 20 Jahre, bis die Geodäsie erstmals Plattenbewegung sicht- und quantifizierbar machte. Seit dann sind satellitengestützte Messmethoden aus der neotektonischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Dank einer stetig (zeitlich und räumlich) wachsenden Anzahl instrumenteller Beobachtungsdaten wird unser Verständnis des Erdbebenzyklus—des Wechselspiels zwischen tektonischem Spannungsauf- und -abbau—immer komplexer. Das klassische Konzept, nur Erdbeben setzten die zuvor linear aufgebaute Spannungsenergie instantan frei, wird heutzutage durch eine Vielzahl von zusätzlichen schnelleren und langsameren Prozessen ergänzt. Beispiele dafür sind getriggerte Versätze (triggered slip), Nachbeben (afterslip), postseismische und visko-elastische Relaxation der tieferen Kruste, dynamische, elastische Veränderungen des Gesteins-Porendrucks, aseismisches Kriechen sowie Spannungsabbau durch kleine Erdbebenschwärme. Anhand von elf begutachteten und bereits veröffentlichten Arbeiten präsentiere ich in meiner Habilitationsschrift die Diversität krustaler Deformationsprozesse. Ich analysiere Zeitreihen von Radar-Satellitenaufnahmen und satellitengestützten Positionierungssystemen um die tektonische Oberflächenbewegung zu quantifizieren. Der Vergleich von kinematischen Beobachtungen mit geologischen und seismischen Indizien sowie die Simulation ebenjener durch rechnergestützte Modelle ermöglichen mir, die verursachenden krustalen Prozesse besser verstehen. Der Hauptteil meiner Arbeiten beschreibt rezente, krustale Bewegungen im Pamir, Hindu Kush und Tien Shan, welche zusammen das westliche Ende der kontinentalen Kollisionszone zwischen dem indischen und eurasischen Kontinent bilden. Rund um ein starkes Erdbeben, welches 2015 den Zentralpamir erschüttert hat, zeige ich vielseitige Beispiele von hochaktiver krustaler Deformation. Verursacht werden diese Bewegungen durch den nordwestindischen Kontinentalsporn, welcher (fast) ungebremst in den Pamir hineinrammt, ihn auftürmt, zusammenquetscht, und ihn gravitationsbedingt gegen Westen ins tadschikische Becken kollabieren lässt. Der zweite thematische Schwerpunkt liegt auf Prozessen, welche durch Megathrust-Erdbeben, also Beben mit einer Magnitude>8, hervorgerufen werden. Diese Anwendungen fokussieren sich auf die ozeanischen Subduktionszone von Chile und zeigen die Wichtigkeit vertikaler Hebungsdaten um, beispielsweise, den Einfluss tektonischer Prozesse auf den Gesteins-Porendruck zu verstehen. Zusammenfassend veranschaulichen und bestätigen meine Arbeiten, wie stark und komplex die oben beschriebenen Prozesse räumlich und zeitlich korrelieren, und dass das klassische Konzept des Erdbebenzyklus überholt ist. Letztere Einsicht hat grossen Einfluss auf probabilistische seismische Gefährdungsanalysen, welche grundsätzlich statistische Vorhersagbarkeit annehmen. KW - radar satellite interferometry KW - tectonics KW - geodesy KW - seismology KW - earthquakes KW - InSAR KW - InSAR KW - Erdbeben KW - Geodäsie KW - Radar-Satelliteninterferometrie KW - Seismologie KW - Tektonik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599225 ER - TY - JOUR A1 - Steinberg, Andreas A1 - Vasyura-Bathke, Hannes A1 - Gaebler, Peter Jost A1 - Ohrnberger, Matthias A1 - Ceranna, Lars T1 - Estimation of seismic moment tensors using variational inference machine learning JF - Journal of geophysical research : Solid earth N2 - We present an approach for rapidly estimating full moment tensors of earthquakes and their parameter uncertainties based on short time windows of recorded seismic waveform data by considering deep learning of Bayesian Neural Networks (BNNs). The individual neural networks are trained on synthetic seismic waveform data and corresponding known earthquake moment-tensor parameters. A monitoring volume has been predefined to form a three-dimensional grid of locations and to train a BNN for each grid point. Variational inference on several of these networks allows us to consider several sources of error and how they affect the estimated full moment-tensor parameters and their uncertainties. In particular, we demonstrate how estimated parameter distributions are affected by uncertainties in the earthquake centroid location in space and time as well as in the assumed Earth structure model. We apply our approach as a proof of concept on seismic waveform recordings of aftershocks of the Ridgecrest 2019 earthquake with moment magnitudes ranging from Mw 2.7 to Mw 5.5. Overall, good agreement has been achieved between inferred parameter ensembles and independently estimated parameters using classical methods. Our developed approach is fast and robust, and therefore, suitable for down-stream analyses that need rapid estimates of the source mechanism for a large number of earthquakes. KW - seismology KW - machine learning KW - earthquake source KW - moment tensor KW - full KW - waveform Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1029/2021JB022685 SN - 2169-9313 SN - 2169-9356 VL - 126 IS - 10 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Socquet, Anne A1 - Valdes, Jesus Pina A1 - Jara, Jorge A1 - Cotton, Fabrice Pierre A1 - Walpersdorf, Andrea A1 - Cotte, Nathalie A1 - von Specht, Sebastian A1 - Ortega-Culaciati, Francisco A1 - Carrizo, Daniel A1 - Norabuena, Edmundo T1 - An 8month slow slip event triggers progressive nucleation of the 2014 Chile megathrust JF - Geophysical research letters N2 - The mechanisms leading to large earthquakes are poorly understood and documented. Here we characterize the long-term precursory phase of the 1 April 2014 M(w)8.1 North Chile megathrust. We show that a group of coastal GPS stations accelerated westward 8months before the main shock, corresponding to a M(w)6.5 slow slip event on the subduction interface, 80% of which was aseismic. Concurrent interface foreshocks underwent a diminution of their radiation at high frequency, as shown by the temporal evolution of Fourier spectra and residuals with respect to ground motions predicted by recent subduction models. Such ground motions change suggests that in response to the slow sliding of the subduction interface, seismic ruptures are progressively becoming smoother and/or slower. The gradual propagation of seismic ruptures beyond seismic asperities into surrounding metastable areas could explain these observations and might be the precursory mechanism eventually leading to the main shock. KW - seismology KW - GPS KW - subduction KW - precursor Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1002/2017GL073023 SN - 0094-8276 SN - 1944-8007 VL - 44 SP - 4046 EP - 4053 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Petersen, Gesa Maria T1 - Source array and receiver array analysis of Vogtland/ West Bohemia earthquake clusters T1 - Untersuchung von Erdbebenclustern im Vogtland/ Westböhmen durch Quell- und Empfängerarrays N2 - Die Region Vogtland/ West Böhmen im Grenzgebiet zwischen Deutschland und Tschechien ist bekannt für ihre geologische Aktivität. Holozäner Vulkanismus, Gasaustritte an Mofetten und Quellen und wiederkehrende Erdbebenschwärme sind Ausdruck geodynamischer Prozesse im Untergrund. Während des Erdbebenschwarms 2008/2009 in Nový Kostel installierte die Universität Potsdam ein temporäres Array in Rohrbach, in einer Epizentraldistanz von etwa 10 km und mit einer Aperatur von etwa 0.75 km. 22 Erdbeben wurden für Quellarray- beam forming ausgewählt. Quellarrays sind örtliche Cluster von Erdbeben, die von einer Empfängerstation aufgezeichnet werden. Wegen der Reziprozität der Green’schen Funktionen können diese in ähnlicher Weise genutzt werden wie Empfängerarrays, bei denen mehrere Stationen ein einzelnes Beben aufzeichnen. Die Kreuzkorrelationskoeffizienten aller Beben des Quellarrays, aufgezeichnet an einer einzelnen Station, sind in der Regel höher als für einzelne Ereignisse, die an allen Stationen des Empfängerarrays aufgezeichnet wurden. Dies deutet hinsichtlich der aufgelösten Frequenzen auf einen heterogenen Untergrund unter den Array-Stationen und ein vergleichsweise homogenes Quellarray-Volumen hin. Beam forming wurde mit den horizontalen und vertikalen Spuren aller Quellarray-Beben, aufgezeichnet auf allen 11 Stationen des Empfängerarrays, durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Hinblick auf Konversionen und reflektierte Phasen analysiert. Während die theoretische Richtung der direkten P-Welle im Falle der Quellarray-Aufzeichnungen gut übereinstimmt, wird eine Empfängerarray-Missweisung von 15° bis 25° beobachtet. Eine PS Phase, die der direkten P Phase folgt und eine mögliche SP Phase, die kurz vor der direkten S-Phase ankommt, wurden auf den summierten Spuren mehrerer Stationen interpretiert. Aus der Betrachtung der Laufzeiten resultiert eine Konversionstiefe von 0.6-0.9 km Tiefe. Ein zweites Quellarray, bestehend aus 12 tieferen Beben wurde zusätzlich analysiert, um eine nach ca. 0.85 s ausschließlich auf den Aufzeichnungen tieferer Beben auftretende Strukturphase zu deuten. Zusätzlich zum beam forming wurden zwei Lokalisierungsmethoden von Reflexionen und Konversionen für einfach reflektierte/konvertierte Phasen entwickelt und zur Auswertung verwendet. Während die erste, analytische Methode eine homogene Geschwindigkeit entlang des Laufwegs annimmt, wird in der zweiten Methode eine 3-D-Rastersuche ausgeführt, in der ein 1-D-Geschwindigkeitsmodell verwendet wird. Auf Grund der eindeutigen beam forming Ergebnisse und der hohen Ähnlichkeit der Wellenformen der Erdbeben, die für das Quellarray genutzt wurden, bieten Quellarrays bestehend aus Mikrobeben aus dem untersuchten Gebiet gute Möglichkeiten zur Untersuchung von Krustenstrukturen. N2 - The Vogtland, located at the border region between the Czech Republic and Germany, is known for Holocene volcanism, gas and fluid emissions as well as for reoccurring earthquake swarms, pointing towards a high geodynamic activity. During the earthquake swarm in 2008/2009, a temporary array was installed close to Rohrbach (Germany), at an epicentral distance of about 10 km from the Nový Kostel focal zone (aperture ~0.75 km). 22 events of the recorded swarm were selected to set up a source array. Source arrays are spatially clustered earthquakes, which can be used in a similar manner as receiver array recordings of single events (Green’s functions reciprocity). The application of array seismology techniques like beam forming requires similar waveforms and precisely known origin times and locations. The resemblance of waveforms was assured by visual selection of events and quantified with the calculation of cross-correlation coefficients. We observed that the different events recorded at a single station generally show greater resemblances than the recordings of one event at all stations of the receiver array. This indicates a heterogeneous subsurface beneath the receiver array and a comparably homogeneous source array volume with respect to the frequency-dependent resolution of both arrays. Beam forming was applied on the Z, N and E component recordings of the source array events at 11 stations, and the results were analysed with respect to converted or reflected crustal phases. While the theoretical back azimuth of the direct phases match the beam forming results in case of the source array analysis, in case of receiver array beam forming derivations of 15°-25° are observed. PS phases, closely following the direct P phase and presumably SP phases, arriving shortly before the direct S phase can be observed on several stations. Based on the time differences to the direct P and S phases we inferred a conversion depth of about 0.6-0.9 km. A second deeper source array was set up in order to interpret a structural phase arriving 0.85 s after the direct P phase on records of deeper events only. Additionally to the source array beam forming method an analytical method with a fixed medium velocity and a grid search method, both for determining conversion/ reflection locations of phases traveling off the direct line between source and receiver array, were developed and applied to other observed phases. In conclusion, we think that the distinct beam forming results along with the striking waveform resemblance reveal the opportunities of using source arrays consisting of small swarm events for the analysis of crustal structures. KW - seismology KW - Vogtland KW - West Bohemia KW - source array KW - beam forming KW - earthquake swarms KW - Seismologie KW - Vogtland KW - Westböhmen KW - Quellarray KW - Beamforming KW - Erdbebenschwärme KW - Schwarmbeben Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406671 ER - TY - THES A1 - Lehmann, Lukas T1 - Performance Test von Phasenpickern T1 - Performance test of phase pickers N2 - Die genauen Einsatzzeiten seismischer P-Phasen von Erdbeben werden in SeisComP3 und anderen Auswerteprogrammen standardmäßig und in Echtzeit automatisch bestimmt. S-Phasen stellen dagegen eine weit größere Herausforderung dar. Nur mit genauen Picks der P- bzw. S-Phasen können die Erdbebenlokationen korrekt und stabil bestimmt werden. Darum besteht erhebliches Interesse, diese mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, vier verschiedene, bereits vorhandene S-Phasenpicker auf ausgewählte Parameter optimal zu konfigurieren, auf Testdaten anzuwenden und deren Leistungsfähigkeit objektiv zu bewerten. Dazu wurden ein S-Picker (S-L2) aus dem OpenSource SeisComp3-Programmpaket, zwei S-Picker (S-AIC, S-AIC-V) als kommerzielles Modul der Firma gempa GmbH für SeisComP3 und ein S-Picker (Frequenzband) aus dem OpenSource PhasePaPy-Paket ausgewählt. Die Bewertung erfolgte durch Vergleich automatischer Picks mit manuell bestimmten Einsatzzeiten. Alle vier Picker wurden separat konfiguriert und auf drei verschiedene Datensätze von Erdbeben in N-Chile und im Vogtland, Deutschland, angewandt. Dazu wurden regional bzw. lokal typische Erdbeben zufällig ausgewählt und die P- und S-Phasen manuell bestimmt. Mit den zu testenden S-Pickeralgorithmen wurden dieselben Daten durchsucht und die Picks automatisch bestimmt. Die Konfigurationen der Picker wurden gleichzeitig automatisch und objektiv durch iterative Anpassung optimiert. Ein neu erstelltes Bewertungssystem vergleicht die manuellen und die automatisch gefundenen S-Picks anhand von definierten Qualitätsfaktoren. Die Qualitätsfaktoren sind: der Mittelwert und die Standardabweichung der zeitlichen Differenzen zwischen den S-Picks, die Anzahl an übereinstimmenden S-Picks, die Prozentangaben über mögliche S-Picks und die benötigt Rechenzeit. Die objektive Bewertung erfolgte anhand eines Scores. Der Scorewert ergibt sich aus der gewichteten Summe folgender normierter Qualitätsfaktoren: Standardabweichung (20%), Mittelwert (20%) und Prozentangabe über mögliche S-Picks (60%). Konfigurationen mit hohem Score werden bevorzugt. Die bevorzugten Konfigurationen der verschiedenen Picker wurden miteinander verglichen, um den am besten geeigneten S-Pickeralgorithmus zu bestimmen. Allgemein zeigt sich, dass der S-AIC Picker für jeden der drei Datensätze die höchsten Scores und damit die besten Ergebnisse liefert. Dabei wurde für jeden Datensatz ein andere Konfiguration der Parameter des S-AIC Pickers als die am besten geeignete bezeichnet. Daher ist für jede Erdbebenregion eine andere Konfigurationen erforderlich, um optimale Ergebnisse mit diesem S-Picker zu bekommen. N2 - The exact onset times of seismic P phases are automatically determined in analysis programs like SeisComP3 by default and in real-time. However the S phases are more challenging. To get an exact and stable result for earthquake location determination both, the P and the S phases, have to be picked accurate. The aim of this bachelor thesis was to optimize four different existing S phase pickers for different parameters, to apply these to data and to evaluate the results objectively. The chosen pickers were one S picker (S-L2) from the OpenSource SeisComp3 program package, two S pickers (S-AIC, S-AIC-V) as commercial module of the company gempa GmbH for SeisComp3 and one S picker (Frequency Band) from the OpenSource PhasePaPy package. The evaluation was based on the comparison between automatic and manually determined onset times. All those four pickers were configured separately and applied to three different records of earthquakes from northern Chile and Vogtland, Germany. The data sets consist of regional and/or local typical randomly chosen earthquakes for which both P and S phases were manually picked. The tested S pick algorithms determined the automatic picks for the exact same records. A newly created evaluation system compares the manual and the automatic S picks for predefined quality factors. These factors are: the mean and the standard deviation of the pick time differences, the number of corresponding S picks, the rates of possible S picks and the needed calculation time. The objectively rating was based on a score value. This value is calculated by a weighted sum of the following normalized quality factors: standard deviation (20%), mean (20%) and the rate of possible S picks (60%). The higher the score the better the configuration. The best configurations of the tested S pickers were compared to find the best algorithm, dataset wise. In general it is shown that the S-AIC picker has for each data set the highest score value and as a result it is named the best picker algorithm. But for each data set the picker has a different set of parameters which were determined as the best ones. For that reason there is a need to change the configuration for every earthquake location and field of application to find the best results with the S-AIC picker algorithm. KW - Geophysik KW - Seismologie KW - Erdbeben KW - Phasenpicker KW - S-Phase KW - SeisComP3 KW - PhasePaPy KW - geophysics KW - seismology KW - earthquake KW - phasepicker KW - S Phase KW - SeisComP3 KW - PhasePaPy KW - Picker KW - picker KW - Einsatzzeiten KW - onset times Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-401993 ER - TY - THES A1 - Sen, Ali Tolga T1 - Inversion of seismic source parameters for weak mining-induced and natural earthquakes T1 - Inversion von seismischen Quellparametern für schwache Bergbau-induzierte und natürliche Erdbeben N2 - The purpose of this thesis is to develop an automated inversion scheme to derive point and finite source parameters for weak earthquakes, here intended with the unusual meaning of earthquakes with magnitudes at the limit or below the bottom magnitude threshold of standard source inversion routines. The adopted inversion approaches entirely rely on existing inversion software, the methodological work mostly targeting the development and tuning of optimized inversion flows. The resulting inversion scheme is tested for very different datasets, and thus allows the discussion on the source inversion problem at different scales. In the first application, dealing with mining induced seismicity, the source parameters determination is addressed at a local scale, with source-sensor distance of less than 3 km. In this context, weak seismicity corresponds to event below magnitude MW 2.0, which are rarely target of automated source inversion routines. The second application considers a regional dataset, namely the aftershock sequence of the 2010 Maule earthquake (Chile), using broadband stations at regional distances, below 300 km. In this case, the magnitude range of the target aftershocks range down to MW 4.0. This dataset is here considered as a weak seismicity case, since the analysis of such moderate seismicity is generally investigated only by moment tensor inversion routines, with no attempt to resolve source duration or finite source parameters. In this work, automated multi-step inversion schemes are applied to both datasets with the aim of resolving point source parameters, both using double couple (DC) and full moment tensor (MT) models, source duration and finite source parameters. A major result of the analysis of weaker events is the increased size of resulting moment tensor catalogues, which interpretation may become not trivial. For this reason, a novel focal mechanism clustering approach is used to automatically classify focal mechanisms, allowing the investigation of the most relevant and repetitive rupture features. The inversion of the mining induced seismicity dataset reveals the repetitive occurrence of similar rupture processes, where the source geometry is controlled by the shape of the mined panel. Moreover, moment tensor solutions indicate a significant contribution of tensile processes. Also the second application highlights some characteristic geometrical features of the fault planes, which show a general consistency with the orientation of the slab. The additional inversion for source duration allowed to verify the empirical correlation for moment normalized earthquakes in subduction zones among a decreasing rupture duration with increasing source depth, which was so far only observed for larger events. N2 - Ziel dieser Dissertation ist es ein automatisches Inversionsschema zur Ableitung von Parametern für Punkt- und finite Quellen von "schwachen" Erdbeben im Sinne von aussergewöhnlich kleinen Erdbeben an oder unterhalb der Magnitudenschwelle für Standard-Inversionsroutinen zu entwickeln. Der verwendete Inversionsansatz baut auf bestehender Inversionssoftware auf, die methodische Arbeit zielt hauptsächlich auf die Entwicklung und das Tuning des optimierten Inversionsablaufs. Das resultierende Inversionsverfahren ist für verschiedene Datensätze getestet und erlaubt somit eine Diskussion über das Herdinversionsproblem auf unterschiedlichen Skalierungen. In der ersten Anwendung, die sich mit induzierter Seismizität in Minen beschäftigt, werden die Herdparameter im lokalen Bereich mit einer Herd-Empfänger Entfernung von weniger als 3 km bestimmt. In diesem Zusammenhang bezieht sich die "schwache" Seismizität auf Ereignisse mit Magnituden unter Mw 2.0, welche sehr selten das Ziel von automatisierten Herdinversionsroutinen sind. Die zweite Anwendung berücksichtigt den regionalen Datensatz der Nachbebesequenz des Maule (Chile) Erdbebens von 2010, aufgezeichnet durch Breitband-Stationen in einer maximalen Entfernung von 300 km. In diesem Fall umfasst der Magnitudenbereich Ereignisse mit Magnituden kleiner als Mw 4.0. Auch dieser Datensatz wird hier als "schwache" Seismizität interpretiert, da die Analyse solch moderater Seismizität normalerweise nur durch Routinen für Momententensorinversion erfolgt, welche keinerlei Auflösung für die Herddauer oder finite Herdparameter beinhaltet. In dieser Arbeit wird ein automatisiertes, mehrstufiges Inversionsverfahren auf beide Datensätze angewendet mit dem Ziel sowohl Punktquellen-Herdparameter für double-couple (DC) und volle Momententensor (MT) Modelle als auch für Herddauer und finite Herdparameter zu bestimmen. Ein Hauptergebnis dieser Analyse von schwachen Ereignissen ist die Vergrößerung von Momententensor-Katalogen, deren Interpretation wichtig werden könnte. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Cluster-Ansatz für Herdmechanismen angewendet um diese automatisch zu klassifizieren, der somit die Untersuchung der wichtigsten und sich wiederholenden Bruchprozessen erlaubt. Die Inversion des Datensatzes von induzierter Seismizität in Minen enthüllt das sich wiederholende Auftreten von ähnlichen Bruchprozessen, wobei die Herdgeometrie von der Form der Minentäfelung kontrolliert wird. Darüber hinaus deuten die Momententensorlösungen einen signifikanten Beitrag von tensilen Prozessen an. Auch die zweite Anwendung zeigt einige charackteristische, geometrische Besonderheiten der Bruchflächen auf, welche prinzipiell konsistent zur Orientierung der subduzierten Platte sind. Die zusätzliche Inversion nach der Herdzeit erlaubt die Verifizierung von empirischen Korrelationen von momentennormalisierten Erdbeben in Subduktionszonen zwischen einer abnehmenden Bruchdauer mit zunehmender Herdtiefe, welche bisher nur für größere Ereignisse beobachtet wurde. KW - Seismologie KW - induzierten Seismizität KW - Quellenumkehr KW - Momententensor KW - Aufenthaltsdauer KW - seismology KW - induced seismicity KW - source inversion KW - moment tensor KW - source duration Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71914 ER - TY - THES A1 - Gassner, Alexandra Carina T1 - The character of the core-mantle boundary : a systematic study using PcP N2 - Assuming that liquid iron alloy from the outer core interacts with the solid silicate-rich lower mantle the influence on the core-mantle reflected phase PcP is studied. If the core-mantle boundary is not a sharp discontinuity, this becomes apparent in the waveform and amplitude of PcP. Iron-silicate mixing would lead to regions of partial melting with higher density which in turn reduces the velocity of seismic waves. On the basis of the calculation and interpretation of short-period synthetic seismograms, using the reflectivity and Gauss Beam method, a model space is evaluated for these ultra-low velocity zones (ULVZs). The aim of this thesis is to analyse the behaviour of PcP between 10° and 40° source distance for such models using different velocity and density configurations. Furthermore, the resolution limits of seismic data are discussed. The influence of the assumed layer thickness, dominant source frequency and ULVZ topography are analysed. The Gräfenberg and NORSAR arrays are then used to investigate PcP from deep earthquakes and nuclear explosions. The seismic resolution of an ULVZ is limited both for velocity and density contrasts and layer thicknesses. Even a very thin global core-mantle transition zone (CMTZ), rather than a discrete boundary and also with strong impedance contrasts, seems possible: If no precursor is observable but the PcP_model /PcP_smooth amplitude reduction amounts to more than 10%, a very thin ULVZ of 5 km with a first-order discontinuity may exist. Otherwise, if amplitude reductions of less than 10% are obtained, this could indicate either a moderate, thin ULVZ or a gradient mantle-side CMTZ. Synthetic computations reveal notable amplitude variations as function of the distance and the impedance contrasts. Thereby a primary density effect in the very steep-angle range and a pronounced velocity dependency in the wide-angle region can be predicted. In view of the modelled findings, there is evidence for a 10 to 13.5 km thick ULVZ 600 km south-eastern of Moscow with a NW-SE extension of about 450 km. Here a single specific assumption about the velocity and density anomaly is not possible. This is in agreement with the synthetic results in which several models create similar amplitude-waveform characteristics. For example, a ULVZ model with contrasts of -5% VP , -15% VS and +5% density explain the measured PcP amplitudes. Moreover, below SW Finland and NNW of the Caspian Sea a CMB topography can be assumed. The amplitude measurements indicate a wavelength of 200 km and a height of 1 km topography, previously also shown in the study by Kampfmann and Müller (1989). Better constraints might be provided by a joined analysis of seismological data, mineralogical experiments and geodynamic modelling. N2 - Unter der Annahme, dass flüssiges Eisen aus dem äußeren Erdkern mit dem festen, silikat-reichen Unteren Mantel reagiert, wird eine Einflussnahme auf die Kern-Mantel Reflexionsphase PcP erwartet. Ist die Kern-Mantel Grenze aufgeweicht, und nicht wie bislang angenommen ein diskreter Übergang, so zeichnet sich dies in der Wellenform und Amplitude von PcP ab. Die Interaktion mit Eisen führt zu teilweise aufgeschmolzenen Bereichen höherer Dichte, welche die seismischen Wellengeschwindigkeiten herabsetzen. Basierend auf den Berechnungen von kurzperiodischen synthetischen Seismogrammen, mittels der Reflektivitäts- und Gauss Beam Methode, soll ein möglicher Modellraum dieser Niedriggeschwindigkeitszonen ermittelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es das Verhalten von PcP im Distanzbereich von 10° bis 40° unter dem Einfluss dieser Modelle mit diversen Geschwindigkeits- und Dichtekontrasten zu untersuchen. Ferner wird das Auflösungsvermögen hinsichtlich seismischer Daten diskutiert. Entscheidende Parameter wie Anomaliedicke, Quellfrequenz und Topographie werden hierbei analysiert. Tiefe Erdbeben und Kernexplosionen, die sich im entsprechenden Entfernungsbereich zum Gräfenberg und NORSAR Array befinden, werden anschließend im Hinblick auf PcP ausgewertet. Das seismische Auflösungsvermögen von Niedriggeschwindigkeitszonen ist stark begrenzt sowohl in Bezug auf Geschwindigkeits- und Dichtekontraste als auch hinsichtlich der Mächtigkeit. Es besteht sogar die Möglichkeit einer dünnen, globalen Kern-Mantel Übergangszone, selbst mit großen Impedanzkontrasten, ohne dass dies mit seismologischen Methoden detektiert werden könnte: Wird kein precursor zu PcP beobachtet aber das PcPmodel /PcPsmooth Amplitudenverhältnis zeigt gleichzeitig eine Reduktion von mehr als 10%, dann könnte eine sehr dünne Niedriggeschwindigkeitszone von ca. 5 km Mächtigkeit und einer Diskontinuität erster Ordnung vorliegen. Andererseits, ist PcP um weniger als 10% reduziert, könnte dies entweder auf eine dünne, moderate Niedriggeschwindigkeitszone oder einen graduellen Kern-Mantel Übergang hindeuten. Die synthetischen Berechnungen ergeben starke Amplitudenvariationen als Funktion der Distanz, welche auf den Impedanzkontrast zurückzuführen sind. Dabei ergibt sich ein primärer Dichteeffekt im extremen Steilwinkelbereich und ein maßgeblicher Geschwindigkeitseinfluss im Weitwinkelbereich. Im Hinblick auf die modellierten Resultate lässt sich eine 10 - 13.5 km mächtige Niedriggeschwindigkeitszone 600 km südöstlich von Moskau mit einer NW-SE Ausdehnung von mindestens 450 km folgern, wobei eine exakte Aussage über Geschwindigkeiten und Dichte nicht möglich ist. Dies ist im Konsens mit den synthetischen Berechnungen, wonach viele unterschiedliche Modelle ähnliche Amplituden- und Wellenformcharakteristiken erzeugen. Zum Beispiel erklärt ein Modell mit Kontrasten von -5% VP , -15% VS and +5% Dichte die gemessenen PcP Amplituden. Darüber hinaus können unterhalb des südwestlichen Finnlands und nord-nordwestlich des Kaspischen Meeres Undulationen an der Kern-Mantel Grenze selbst vermutet werden. Unter Berücksichtigung früherer Studien, z. B. von Kampfmann and Müller (1989), deuten die Messergebnisse auf eine laterale Topographie von 200 km und eine Höhe von 1 km hin. Eine Eingrenzung der potentiellen Anomaliemodelle kann nur durch eine gemeinsame Auswertung mit mineralogischen Experimenten und geodynamischen Modellierungen erfolgen. KW - Kern-Mantel Grenze KW - Seismologie KW - Ultra-Niedriggeschwindigkeitszonen KW - Steilwinkel-Analyse von PcP KW - Tiefbeben und Kernexplosionen KW - core-mantle boundary KW - seismology KW - ultra-low velocity zones KW - steep-angle analysis of PcP KW - deep earthquakes and nuclear explosions Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63590 ER - TY - JOUR A1 - Lipke, Katrin A1 - Zitzmann, Max A1 - Amberger, Manuel A1 - Ehlert, Carsten A1 - Rößler, Dirk A1 - Krüger, Frank A1 - Ohrnberger, Matthias T1 - Traveltime residuals at regional and teleseismic distances for SE-Asia N2 - Traveltime residuals for worldwide seismic stations are calculated. We use P and S waves from earthquakes in SE-Asia at teleseismic and regional distances. The obtained station residuals help to enhance earthquake localisation. Furthermore we calculated regional source dependent station residuals. They show a systematic dependence of the locality of the source. These source dependent residuals reflect heterogenities along the path and can be used for a refinement of earthquake localisation. N2 - Laufzeitresiduen für weltweite seismische Stationen werden berechnet. Wir nutzen P - und S-Wellen von Erdbeben in Südostasien in teleseismischen und regionalen Distanzen. Die so erhaltenen Stationsresiduen helfen, die Lokaliesierung von Erdbeben zu verbessern. Außerdem berechnen wir regional quellabhängige Stationsresiduen. Diese zeigen eine systematische Abhänbgigkeit vom Ort der Quelle. Sie spiegeln Heterogenitäten entlang des Strahlweges wieder und können für eine Verfeinerung der Ersbebenlokaliesierung genutzt werden. KW - Seismologie KW - Südostasien KW - Laufzeitresiduen KW - GITEWS KW - Wellengeschwindigkeiten KW - seismology KW - Southeast Asia KW - traveltime KW - residuals KW - GITEWS Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14117 ER -