TY  - THES
A1  - Zakharova, Olga
T1  - Analysis and modeling of transient earthquake patterns and their dependence on local stress regimes
T1  - Analyse und Modellierung der transienten Erdbebenmuster und deren Abhängigkeit von lokalen Spannungsregimen
N2  - Investigations in the field of earthquake triggering and associated interactions, which includes aftershock triggering as well as induced seismicity, is important for seismic hazard assessment due to earthquakes destructive power. One of the approaches to study earthquake triggering and their interactions is the use of statistical earthquake models, which are based on knowledge of the basic seismicity properties, in particular, the magnitude distribution and spatiotemporal properties of the triggered events.
In my PhD thesis I focus on some specific aspects of aftershock properties, namely, the relative seismic moment release of the aftershocks with respect to the mainshocks; the spatial correlation between aftershock occurrence and fault deformation; and on the influence of aseismic transients on the aftershock parameter estimation. For the analysis of aftershock sequences I choose a statistical approach, in particular, the well known Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) model, which accounts for the input of background and triggered seismicity. For my specific purposes, I develop two ETAS model modifications in collaboration with Sebastian Hainzl. By means of this approach, I estimate the statistical aftershock parameters and performed simulations of aftershock sequences as well.
In the case of seismic moment release of aftershocks, I focus on the ratio of cumulative seismic moment release with respect to the mainshocks. Specifically, I investigate the ratio with respect to the focal mechanism of the mainshock and estimate an effective magnitude, which represents the cumulative aftershock energy (similar to Bath's law, which defines the average difference between mainshock and the largest aftershock magnitudes). Furthermore, I compare the observed seismic moment ratios with the results of the ETAS simulations. In particular, I test a restricted ETAS (RETAS) model which is based on results of a clock advanced model and static stress triggering.
To analyze spatial variations of triggering parameters I focus in my second approach on the aftershock occurrence triggered by large mainshocks and the study of the aftershock parameter distribution and their spatial correlation with the coseismic/postseismic slip and interseismic locking. To invert the aftershock parameters I improve the modified ETAS (m-ETAS) model, which is able to take the extension of the mainshock rupture into account. I compare the results obtained by the classical approach with the output of the m-ETAS model.
My third approach is concerned with the temporal clustering of seismicity, which might not only be related to earthquake-earthquake interactions, but also to a time-dependent background rate, potentially biasing the parameter estimations. Thus, my coauthors and I also applied a modification of the ETAS model, which is able to take into account time-dependent background activity. It can be applicable for two different cases: when an aftershock catalog has a temporal incompleteness or when the background seismicity rate changes with time, due to presence of aseismic forces.
An essential part of any research is the testing of the developed models using observational data sets, which are appropriate for the particular study case. Therefore, in the case of seismic moment release I use the global seismicity catalog. For the spatial distribution of triggering parameters I exploit two aftershock sequences of the Mw8.8 2010 Maule (Chile) and Mw 9.0 2011 Tohoku (Japan) mainshocks. In addition, I use published geodetic slip models of different authors. To test our ability to detect aseismic transients my coauthors and I use the data sets from Western Bohemia (Central Europe) and California.
Our results indicate that:
(1) the seismic moment of aftershocks with respect to mainshocks depends on the static stress changes and is maximal for the normal, intermediate for thrust and minimal for strike-slip stress regimes, where the RETAS model shows a good correspondence with the results;
(2) The spatial distribution of aftershock parameters, obtained by the m-ETAS model, shows anomalous values in areas of reactivated crustal fault systems. In addition, the aftershock density is found to be correlated with coseismic slip gradient, afterslip, interseismic coupling and b-values. Aftershock seismic moment is positively correlated with the areas of maximum coseismic slip and interseismically locked areas. These correlations might be related to the stress level or to material properties variations in space;
(3) Ignoring aseismic transient forcing or temporal catalog incompleteness can lead to the significant under- or overestimation of the underlying trigger parameters. In the case when a catalog is complete, this method helps to identify aseismic sources.
N2  - Untersuchungen im Bereich der Erdbebennukleation, sowie der Erdbebeninteraktion und induzierter Seismizität, sind wegen des enormen Zerstörungspotenzials von Erdbeben besonders wichtig für seismische Gefährdungsanalysen.
In meiner Doktorarbeit fokussiere ich mich auf einige Eigenschaften von Nachbeben, insbesondere auf deren freigesetztes seismisches Moment in Relation zum Hauptbeben, die räumliche Korrelation zwischen der Nachbebenaktivität und der Deformationsgeschichte der Verwerfung und den Einfluss von aseismischen Transienten auf die Bestimmung von Nachbebenparametern. Ich habe einen statistischen Ansatz für die Analyse der Nachbebensequenzen gewählt. Das sogenannte Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) Modell berücksichtigt sowohl Hintergrundseismizität als auch getriggerte Erdbebenaktivität. Für meine Zwecke habe ich zusammen mit Sebastian Hainzl zwei Modifikationen für dieses ETAS Modell entwickelt. Mittels dieser Ansätze habe ich die statistischen Parameter der Nachbebenaktivität bestimmt und Simulationen von Nachbebensequenzen durchgeführt.
Im Falle des freigesetzten seismischen Moments von Nachbeben habe ich das Verhältnis des kummulativen Moments der Nachbeben in Bezug zum Hauptbeben untersucht. Im Speziellen betrachte ich das Verhältnis in Bezug auf den Herdmechanismus des Hauptbebens und bestimme eine effektive Magnitude, welche die kummulative Nachbebenenergie darstellt (ähnlich zu Bath's Gesetz, welches den durchschnittlichen Unterschied zwischen der Hauptbebenmagnitude und der Magnitude des größten Nachbebens beschreibt). Desweiteren vergleiche ich das Verhältnis des beobachteten seismischen Moments mit den Ergebnissen von ETAS-basierten Simulationen. Dabei teste ich ein Restricted ETAS (RETAS) Modell, welches auf den Resultaten eines Clock-Advance Modells und den durch das Hauptbeben ausgelösten statischen Spannungsänderungen basiert.
Um die räumliche Variation der Trigger-Parameter zu analysieren, fokussiere ich mich in meinem zweiten Modellansatz auf das Auftreten von Nachbeben infolge von großen Hauptbeben, sowie die Verteilung von Nachbebenparametern und deren räumliche Korrelation mit ko-/post-seismischen Verschiebungen und inter-seismischer Verhakung. Zum Bestimmen der Nachbebenparameter habe ich ein modifiziertes ETAS (m-ETAS) Modell analysiert, welches die räumliche Ausdehnung des Hauptbebenbruches berücksichtigen kann. Ich vergleiche die Ergebnisse des klassischen Ansatzes mit denen des m-ETAS Modells.
Mein dritter Versuch beschäftigt sich mit dem zeitlichen Clustern der Seismizität, welche nicht nur auf Erdbeben-Erdbeben-Interaktion zurückzuführen ist, sondern auch auf eine zeitabhängige Hintergrundrate, die die Parameterabschätzung verfälschen kann. Meine Koautoren und ich haben dem ETAS Modell darum eine weitere Modifikation hinzugefügt, welche in der Lage ist, eine zeitabhängige Hintergrundaktivität einzubeziehen. Dieses Modell kann auf zwei Fälle angewendet werden, einerseits wenn ein Erdbebenkatalog zeitlich unvollständig ist und andererzeits wenn sich die Hintergrundseismizität, durch Vorhandensein aseismischer Kräfte, zeitlich verändert.
Ein wichtiger Teil dieser Forschung ist es die entwickelten Modelle anhand von beobachteten Daten zu testen. Darum benutze ich im Falle des freigesetzten seismischen Moments einen globalen Erdbebenkatalog. Zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Trigger-Parametern untersuche ich zwei Nachbebensequenzen, die des 2010er Maule (Chile) Mw8.8 Erdbebens und die des 2011er Tohoku (Japan) Mw9.0 Erdbebens. Zusätzlich benutze ich publizierte geodätische Verschiebungsmodelle verschiedener Autoren. Um die Detektionsfähigkeit für aseismische Transienten zu testen, benutzen meine Koautoren und ich Daten aus West-Böhmen (Zentraleuropa) und Kalifornien.
Unsere Ergebnisse zeigen: (1) Das Verhältnis des kumulativen seismischen Moments der Nachbeben zum Hauptbeben ist von den statischen Spannungsänderung abhängig und ist maximal in Spannungsregimen dominiert von Abschiebungen, mittel für Überschiebungen und minimal für Blattverschiebungen, wobei das RETAS Modell eine gute Korrelation mit unseren Ergebnissen zeigt. (2) Die mit dem m-ETAS Modell erhaltene räumliche Verteilung von Nachbebenparametern zeigt ungewöhnliche Werte in Gebieten reaktivierter krustaler Verwerfungssysteme. Zusätzlich fanden wir heraus, dass die Nachbebendichte mit dem ko-seismischen Verschiebungsgradienten, Nachkriechen, inter-seismischer Kopplung und b-Werten korreliert. Das seismische Moment untersuchter Nachbeben ist positiv korreliert mit Bereichen maximaler koseismischer Verschiebungen und interseismisch blockierten Bereichen. Diese Korrelation könnte dem Spannungsniveau oder räumlicher Variation der Materialeigenschaften geschuldet sein. (3) Wenn man aseismische transiente Kräfte oder zeitliche Katalogunvollständigkeit ignoriert, kann das zu signifikantem Unter- oder Überschätzen der zugrunde liegenden Seismizitäts-Parametern führen. Im Fall eines kompletten Katalogs kann diese Methode helfen, aseismische Quellen zu identifizieren.
KW  - aftershocks
KW  - statistical seismology
KW  - transient earthquake patterns
KW  - ETAS model
KW  - uncertainty estimation
KW  - statistische Seismologie
KW  - Nachbeben
KW  - transiente Erdbebenmuster
KW  - ETAS Modell
KW  - Abschätzung der Unsicherheiten
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-86455
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bach, Christoph
T1  - Improving statistical seismicity models
T1  - Weiterentwicklung statistischer Seismizitätsmodelle
N2  - Several mechanisms are proposed to be part of the earthquake triggering process, including static stress interactions and dynamic stress transfer. Significant differences of these mechanisms are particularly expected in the spatial distribution of aftershocks. However, testing the different hypotheses is challenging because it requires the consideration of the large uncertainties involved in stress calculations as well as the appropriate consideration of secondary aftershock triggering which is related to stress changes induced by smaller pre- and aftershocks. In order to evaluate the forecast capability of different mechanisms, I take the effect of smaller--magnitude earthquakes into account by using the epidemic type aftershock sequence (ETAS) model where the spatial probability distribution of direct aftershocks, if available, is correlated to alternative source information and mechanisms. Surface shaking, rupture geometry, and slip distributions are tested. As an approximation of the shaking level, ShakeMaps are used which are available in near real-time after a mainshock and thus could be used for first-order forecasts of the spatial aftershock distribution. Alternatively, the use of empirical decay laws related to minimum fault distance is tested and Coulomb stress change calculations based on published and random slip models. For comparison, the likelihood values of the different model combinations are analyzed in the case of several well-known aftershock sequences (1992 Landers, 1999 Hector Mine, 2004 Parkfield). The tests show that the fault geometry is the most valuable information for improving aftershock forecasts. Furthermore, they reveal that static stress maps can additionally improve the forecasts of off--fault aftershock locations, while the integration of ground shaking data could not upgrade the results significantly. In the second part of this work, I focused on a procedure to test the information content of inverted slip models. This allows to quantify the information gain if this kind of data is included in aftershock forecasts. For this purpose, the ETAS model based on static stress changes, which is introduced in part one, is applied. The forecast ability of the models is systematically tested for several earthquake sequences and compared to models using random slip distributions. The influence of subfault resolution and segment strike and dip is tested. Some of the tested slip models perform very good, in that cases almost no random slip models are found to perform better. Contrastingly, for some of the published slip models, almost all random slip models perform better than the published slip model. Choosing a different subfault resolution hardly influences the result, as long the general slip pattern is still reproducible. Whereas different strike and dip values strongly influence the results depending on the standard deviation chosen, which is applied in the process of randomly selecting the strike and dip values.
N2  - Verschiedene Mechanismen werden für das Triggern von Erdbeben verantwortlich gemacht, darunter statische Spannungsänderungen und dynamischer Spannungstransfer. Deutliche Unterschiede zwischen diesen Mechanismen werden insbesondere in der räumlichen Nachbebenverteilung erwartet. Es ist allerdings schwierig diese Hypothesen zu überprüfen, da die großen Unsicherheiten der Spannungsberechnungen berücksichtigt werden müssen, ebenso wie das durch lokale sekundäre Spannungsänderungen hervorgerufene initiieren von sekundären Nachbeben. Um die Vorhersagekraft verschiedener Mechanismen zu beurteilen habe ich die Effekte von Erdbeben kleiner Magnitude durch Benutzen des "epidemic type aftershock sequence" (ETAS) Modells berücksichtigt. Dabei habe ich die Verteilung direkter Nachbeben, wenn verfügbar, mit alternativen Herdinformationen korreliert. Bodenbewegung, Bruchgeometrie und Slipmodelle werden getestet. Als Aproximation der Bodenbewegung werden ShakeMaps benutzt. Diese sind nach großen Erdbeben nahezu in Echtzeit verfügbar und können daher für vorläufige Vorhersagen der räumlichen Nachbebenverteilung benutzt werden. Alternativ können empirische Beziehungen als Funktion der minimalen Distanz zur Herdfläche benutzt werden oder Coulomb Spannungsänderungen basierend auf publizierten oder zufälligen Slipmodellen. Zum Vergleich werden die Likelihood Werte der Hybridmodelle im Falle mehrerer bekannter Nachbebensequenzen analysiert (1992 Landers, 1999 Hector Mine, 2004 Parkfield). Die Tests zeigen, dass die Herdgeometrie die wichtigste Zusatzinformation zur Verbesserung der Nachbebenvorhersage ist. Des Weiteren können statische Spannungsänderungen besonders die Vorhersage von Nachbeben in größerer Entfernung zur Bruchfläche verbessern, wohingegen die Einbeziehung von Bodenbewegungskarten die Ergebnisse nicht wesentlich verbessern konnte. Im zweiten Teil meiner Arbeit führe ich ein neues Verfahren zur Untersuchung des Informationsgehaltes von invertierten Slipmodellen ein. Dies ermöglicht die Quantifizierung des Informationsgewinns, der durch Einbeziehung dieser Daten in Nachbebenvorhersagen entsteht. Hierbei wird das im ersten Teil eingeführte erweiterte ETAS Modell benutzt, welches statische Spannungsänderung zur Vorhersage der räumlichen Nachbebenverteilung benutzt. Die Vorhersagekraft der Modelle wird systematisch anhand mehrerer Erdbebensequenzen untersucht und mit Modellen basierend auf zufälligen Slipverteilungen verglichen. Der Einfluss der Veränderung der Auflösung der Slipmodelle, sowie Streich- und Fallwinkel der Herdsegmente wird untersucht. Einige der betrachteten Slipmodelle korrelieren sehr gut, in diesen Fällen werden kaum zufällige Slipmodelle gefunden, welche die Nachbebenverteilung besser erklären. Dahingegen korrelieren bei einigen Beispielen nahezu alle zufälligen Slipmodelle besser als das publizierte Modell. Das Verändern der Auflösung der Bewegungsmodelle hat kaum Einfluss auf die Ergebnisse, solange die allgemeinen Slipmuster noch reproduzierbar sind, d.h. ein bis zwei größere Slipmaxima pro Segment. Dahingegen beeinflusst eine zufallsbasierte Änderung der Streich- und Fallwinkel der Segmente die Resultate stark, je nachdem welche Standardabweichung gewählt wurde.
KW  - Nachbeben
KW  - ETAS
KW  - Vorhersage
KW  - aftershock
KW  - ETAS
KW  - forecast
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70591
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sobiesiak, Monika
T1  - Fault plane structure of the 1995 Antofagasta Earthquake (Chile) derived from local seismological parameters
T1  - -
N2  - Fault planes of large earthquakes incorporate inhomogeneous structures. This can be observed in teleseismic studies through the spatial distribution of slip and seismic moment release caused by the mainshock. Both parameters are often concentrated on patches on the fault plane with much higher values for slip and moment release than their adjacent areas. These patches are called asperities which obviously have a strong influence on the mainshock rupture propagation. Condition and properties of structures in the fault plane area, which are responsible for the evolution of such asperities or their significance on damage distributions of future earthquakes, are still not well understood and subject to recent geo-scientific studies.  In the presented thesis asperity structures are identified on the fault plane of the Mw=8.0 Antofagasta earthquake in northern Chile which occurred on 30th of July, 1995. It was a thrust-type event in the seismogenic zone between the subducting pacific Nazca plate and the overriding South American plate. In cooperation of the German Task Force for Earthquakes and the CINCA'95 project a network of up to 44 seismic stations was set up to record the aftershock sequence. The seaward extension of the network with 9 OBH stations increased significantly the precision of hypocenter determinations. They were distributed mainly on the fault plane itself around the city of Antofagasta and Mejillones Peninsula.  The asperity structures were recognized here by the spatial variations of local seismological parameters; at first by the spatial distribution of the seismic b-value on the fault plane, derived from the magnitude-frequency relation of Gutenberg-Richter. The correlation of this b-value map with other parameters like the mainshock source time function, the gravity isostatic residual anomalies, the aftershock radiated seismic energy distribution and the vp/vs ratios from a local earthquake tomograhpy study revealed some ideas about the composition and asperity generating processes. The investigation of 295 aftershock focal mechanism solutions supported the resulting fault plane structure and proposed a 3D similar stress state in the area of the Antofagasta fault plane.
N2  - Die Bruchflaeche grosser Erdbeben umfasst inhomogene Strukturen, die bisher hauptsaechlich in teleseismischen Untersuchungen nachgewiesen werden konnten. Haeufig werden begrenzte Bereiche auf einer Bruchflaeche beobachtet, die durch eine starke Konzentration des freigesetzten seismischen Moments und durch grosse Dislokationen gekennzeichnet sind. Diese Bereiche werden als 'asperities' bezeichnet, die offensichtlich starken Einfluss auf den Bruchverlauf des Hauptbebens ausueben. Beschaffenheit und Eigenschaften der Strukturen in einem Herdgebiet, die verantwortlich sind fuer die Bildung solcher 'asperities' und deren eventueller Bedeutung fuer Schadensverteilungen in zukuenftigen Erdbeben, sind Gegenstand aktueller geowissenschaftlischer Untersuchungen.  In der vorliegenden Arbeit werden 'asperity'-Strukturen auf der Bruchflaeche des Mw=8.0 Antofagasta Erdbebens vom 30. Juli 1995 im Norden Chiles identifiziert. Es handelt sich hierbei um ein typisches Subduktionsbeben mit Aufschiebungscharakter, das in der seismogenen Zone zwischen der abtauchenden pazifischen Nazca-Platte und der ueberschiebenden suedamerikanischen Platte stattfand. Durch die Zusammenarbeit der Deutschen Task Force fuer Erdbeben und dem sich waehrend des Bebens bereits vor Ort befindlichen CINCA '95 Projektgruppe, konnte ein bis zu 44 Stationen umfassendes seismologisches Netzwerk zur Registrierung der Nachbeben errichtet werden. Vor allem die seeseitige Erweiterung des Netzes durch 9 OBH Stationen trug zur hohen Praezision der Hypozentrenbestimmung der Nachbeben bei, die sich hauptsaechlich auf der Bruchflaeche und damit im Kuestenbereich um die Stadt Antofagasta und der noerdlich gelegenen Halbinsel Mejillones verteilten.  Die 'asperity'-Strukturen konnten mittels raeumlicher Variationen von lokalen seismologischen Parametern erkannt werden; zunaechst durch die Verteilung des seimologischen b-Wertes auf der Bruchflaeche aus der Magnituden-Haeufigkeitsbeziehung von Gutenberg-Richter. Durch die Korrelation dieser Verteilung mit Parametern wie der Momentenrate aus dem Hauptbeben, der isostatischen Restanomalien des Gravitationsfeldes, der Verteilung der abgestrahlten seismischen Energie durch die Nachbeben und der vp/vs-Verhaeltnisse aus einer lokalen Erdbebentomographie konnten Rueckschluesse auf die Beschaffenheit und damit den Bildungsprozess der asperities gezogen werden. Die Untersuchung der Herflaechenloesungen die fuer 295 Nachbeben bestimmt wurden, ergab eine indirekte Bestaetigung der gefundenen Strukturen und wies auf die Existenz eines 3D Spannungszustands im Bereich der Bruchflaeche des Antofagasta Bebens hin.
KW  - Subduktionsbeben
KW  - Nachbeben
KW  - Bruchflaechenstruktur
KW  - b-Wert Kartierung
KW  - Herdmechanismen
KW  - subduction earthquake
KW  - aftershock sequence
KW  - fault plane structure
KW  - b-value map
KW  - focal mechanisms
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2430
ER  -