TY - THES A1 - Bayona Viveros, Jose T1 - Constructing global stationary seismicity models from the long-term balance of interseismic strain measurements and earthquake-catalog data T1 - Erstellung globaler stationärer Seismizitätsmodelle aus der Langzeitbilanz von interseismischen Dehnungsmessungen und Erdbebenkatalogdaten N2 - One third of the world's population lives in areas where earthquakes causing at least slight damage are frequently expected. Thus, the development and testing of global seismicity models is essential to improving seismic hazard estimates and earthquake-preparedness protocols for effective disaster-risk mitigation. Currently, the availability and quality of geodetic data along plate-boundary regions provides the opportunity to construct global models of plate motion and strain rate, which can be translated into global maps of forecasted seismicity. Moreover, the broad coverage of existing earthquake catalogs facilitates in present-day the calibration and testing of global seismicity models. As a result, modern global seismicity models can integrate two independent factors necessary for physics-based, long-term earthquake forecasting, namely interseismic crustal strain accumulation and sudden lithospheric stress release. In this dissertation, I present the construction of and testing results for two global ensemble seismicity models, aimed at providing mean rates of shallow (0-70 km) earthquake activity for seismic hazard assessment. These models depend on the Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2), a stationary seismicity approach for subduction zones, based on the conservation of moment principle and the use of regional "geodesy-to-seismicity" parameters, such as corner magnitudes, seismogenic thicknesses and subduction dip angles. Specifically, this interface-earthquake model combines geodetic strain rates with instrumentally-recorded seismicity to compute long-term rates of seismic and geodetic moment. Based on this, I derive analytical solutions for seismic coupling and earthquake activity, which provide this earthquake model with the initial abilities to properly forecast interface seismicity. Then, I integrate SMERF2 interface-seismicity estimates with earthquake computations in non-subduction zones provided by the Seismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Map seismicity approach to construct the global Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM). Thus, TEAM is designed to reduce number, and potentially spatial, earthquake inconsistencies of its predecessor tectonic earthquake model during the 2015-2017 period. Also, I combine this new geodetic-based earthquake approach with a global smoothed-seismicity model to create the World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood scores (WHEEL) model. This updated hybrid model serves as an alternative earthquake-rate approach to the Global Earthquake Activity Rate model for forecasting long-term rates of shallow seismicity everywhere on Earth. Global seismicity models provide scientific hypotheses about when and where earthquakes may occur, and how big they might be. Nonetheless, the veracity of these hypotheses can only be either confirmed or rejected after prospective forecast evaluation. Therefore, I finally test the consistency and relative performance of these global seismicity models with independent observations recorded during the 2014-2019 pseudo-prospective evaluation period. As a result, hybrid earthquake models based on both geodesy and seismicity are the most informative seismicity models during the testing time frame, as they obtain higher information scores than their constituent model components. These results support the combination of interseismic strain measurements with earthquake-catalog data for improved seismicity modeling. However, further prospective evaluations are required to more accurately describe the capacities of these global ensemble seismicity models to forecast longer-term earthquake activity. N2 - Ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in Gebieten, in denen häufig Erdbeben mit zumindest geringen Schäden zu erwarten sind. Daher ist die Entwicklung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle für verbesserte Schätzungen der Erdbebengefährdung und Planungen zur Vorbereitung auf Erdbeben für eine wirksame Minderung des Katastrophenrisikos von entscheidender Bedeutung. Derzeit bietet die Verfügbarkeit und Qualität geodätischer Daten entlang der Plattengrenzregionen die Gelegenheit, um globale Modelle der Plattenbewegung und der Dehnungsrate zu erstellen, die in globale Karten der prognostizierten Seismizität übersetzt werden können. Darüber hinaus erleichtert die breite Abdeckung bestehender Erdbebenkataloge in der heutigen Zeit die Kalibrierung und das Testen globaler Seismizitätsmodelle. Infolgedessen können moderne globale Seismizitätsmodelle zwei unabhängige Faktoren integrieren, die für eine physikbasierte Langzeit-Erdbebenvorhersage erforderlich sind, die Ansammlung interseismischer Krustenverformungen und die plötzliche Freisetzung von lithosphärischem Stress. In dieser Dissertation stelle ich die Konstruktion und die Testergebnisse für zwei globale Ensemble-Seismizitätsmodelle vor, die darauf abzielen, mittlere Raten der Flachbebenaktivität (0-70 km) für die Bewertung der Erdbebengefährdung bereitzustellen. Diese Modelle hängen von dem Subduction Megathrust Earthquake Rate Forecast (SMERF2) ab, einem stationären Seismizitätsmodell für Subduktionszonen, das auf dem Prinzip der Erhaltung des Moments und der Verwendung regionaler "Geodäsie-zu-SeismizitätParameter wie Corner Magnitudes, seismogene Dicken und Subduktionsneigungswinkel basiert. Insbesondere kombiniert dieses Erdbebenmodell geodätische Dehnungsraten mit instrumentell aufgezeichneter Seismizität, um Langzeitraten sowohl des seismischen als auch des geodätischen Moments zu berechnen. Auf dieser Grundlage leite ich analytische Lösungen für die seismische Kopplung und Erdbebenaktivität ab, um mit diesem Erdbebenmodell, die Subduktionseismizität richtig vorherzusagen. Dann integriere ich SMERF2-Schätzungen an Subduktionsrändern mit Erdbebenberechnungen in Nicht-Subduktionszonen, die von dem Modell ßeismic Hazard Inferred From Tectonics based on the second iteration of the Global Strain Rate Mapßur Erstellung des globalen Tectonic Earthquake Activity Model (TEAM) bereitgestellt werden. Daher ist TEAM darauf ausgelegt, die Anzahl und möglicherweise räumliche Vohersageinkonsistenzen seines tektonischen Erdbebenvorgängermodells im Zeitraum 2015-2017 zu reduzieren. Außerdem kombiniere ich dieses neue geodätische Erdbebenmodell mit einem globalen, geglätteten Seismizitätsmodell, um das World Hybrid Earthquake Estimates based on Likelihood Scores (WHEEL)-Modell zu erstellen. Dieses aktualisierte Hybridmodell dient als alternativer Ansatz zum Global Earthquake Activity Rate (GEAR1)-Modell zur Vorhersage langfristiger Raten flacher Seismizität überall auf der Erde. Globale Seismizitätsmodelle liefern wissenschaftliche Hypothesen darüber, wann und wo Erdbeben auftreten können und wie groß sie sein können. Die Richtigkeit dieser Hypothesen kann jedoch erst nach prospektiven Tests bestätigt oder abgelehnt werden. Daher teste ich abschließend die Konsistenz und relative Leistung dieser globalen Seismizitätsmodellen gegen unabhängige Beobachtungen, die während des pseudo-prospektiven Evaluierungszeitraums 2014-2019 aufgezeichnet wurden. Hybride Erdbebenmodelle, die sowohl auf Geodäsie als auch auf Seismizität basieren, sind die informativsten Seismizitätsmodelle während des Testzeitraums, da beide höhere Informationswerte als ihre konstituierenden Modellkomponenten erhalten. Diese Ergebnisse unterstützen die Kombination von interseismischen Dehnungsmessungen mit Erdbebenkatalogdaten für eine verbesserte Seismizitätsmodellierung. Es sind jedoch weitere prospektive Tests erforderlich, um die Kapazitäten dieser globalen Ensemble-Seismizitätsmodelle zur Vorhersage längerfristiger Erdbebenaktivitäten genauer zu bewerten. KW - Statistical seismology KW - Earthquake forecasting KW - Global earthquake data KW - Interseismic strain rates KW - Erdbebenvorhersage KW - Globale Erdbebenkatalogdaten KW - Interseismiche Dehnungsraten KW - Statistische Seismologie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509270 ER - TY - THES A1 - Cattania, Camilla T1 - Improvement of aftershock models based on Coulomb stress changes and rate-and-state dependent friction T1 - Verbesserte Nachbebenmodelle durch Berücksichtigung von Coulombspannungsänderungen und Rate-State abhängiger Reibung N2 - Earthquake clustering has proven the most useful tool to forecast changes in seismicity rates in the short and medium term (hours to months), and efforts are currently being made to extend the scope of such models to operational earthquake forecasting. The overarching goal of the research presented in this thesis is to improve physics-based earthquake forecasts, with a focus on aftershock sequences. Physical models of triggered seismicity are based on the redistribution of stresses in the crust, coupled with the rate-and-state constitutive law proposed by Dieterich to calculate changes in seismicity rate. This type of models are known as Coulomb- rate and-state (CRS) models. In spite of the success of the Coulomb hypothesis, CRS models typically performed poorly in comparison to statistical ones, and they have been underepresented in the operational forecasting context. In this thesis, I address some of these issues, and in particular these questions: (1) How can we realistically model the uncertainties and heterogeneity of the mainshock stress field? (2) What is the effect of time dependent stresses in the postseismic phase on seismicity? I focus on two case studies from different tectonic settings: the Mw 9.0 Tohoku megathrust and the Mw 6.0 Parkfield strike slip earthquake. I study aleatoric uncertainties using a Monte Carlo method. I find that the existence of multiple receiver faults is the most important source of intrinsic stress heterogeneity, and CRS models perform better when this variability is taken into account. Epistemic uncertainties inherited from the slip models also have a significant impact on the forecast, and I find that an ensemble model based on several slip distributions outperforms most individual models. I address the role of postseismic stresses due to aseismic slip on the mainshock fault (afterslip) and to the redistribution of stresses by previous aftershocks (secondary triggering). I find that modeling secondary triggering improves model performance. The effect of afterslip is less clear, and difficult to assess for near-fault aftershocks due to the large uncertainties of the afterslip models. Off-fault events, on the other hand, are less sensitive to the details of the slip distribution: I find that following the Tohoku earthquake, afterslip promotes seismicity in the Fukushima region. To evaluate the performance of the improved CRS models in a pseudo-operational context, I submitted them for independent testing to a collaborative experiment carried out by CSEP for the 2010-2012 Canterbury sequence. Preliminary results indicate that physical models generally perform well compared to statistical ones, suggesting that CRS models may have a role to play in the future of operational forecasting. To facilitate efforts in this direction, and to enable future studies of earthquake triggering by time dependent processes, I have made the code open source. In the final part of this thesis I summarize the capabilities of the program and outline technical aspects regarding performance and parallelization strategies. N2 - Die örtliche und zeitlich Häufung von Erdbeben ist geeignet, um Änderungen in Seismizitätsraten auf kurzen bis mittleren Zeitskalen (Stunden bis Monate) zu prognostizieren. Kürzlich wurden vermehrt Anstrengungen unternommen, den Umfang solcher Modelle auf Operationelle Erdbebenvorhersage auszudehnen, welche die Veröffentlichung von Erdbebenwahrscheinlichkeiten beinhaltet mit dem Ziel, die Bevölkerung besser auf mögliche Erdbeben vorzubereiten. Das vorrangige Ziel dieser Dissertation ist die Verbesserung von kurz- und mittelfristiger Erdbebenprognose basierend auf physikalischen Modellen. Ich konzentriere mich hier auf Nachbebensequenzen. Physikalische Modelle, die getriggerte Seimizität erklären, basieren auf der Umverteilung von Spannungen in der Erdkruste. Berechnung der Coulomb Spannung können kombiniert werden mit dem konstituivem Gesetz von Dieterich, welches die Berechnung von Änderungen in der Seismizitätsrate ermöglicht. Diese Modelle sind als Coulomb-Rate-and-State (CRS) Modelle bekannt. Trotz der erfolgreichen Überprüfung der Coulomb-Hypothese, schneiden CRS-Modelle im Vergleich mit statistischen Modellen schlecht ab, und wurden deshalb bisher kaum im Kontext operationeller Erdbenbenvorhersage genutzt. In dieser Arbeit, gehe ich auf einige der auftretenden Probleme ein. Im Besonderen wende ich mich den folgenden Fragen zu: (1) Wie können wir die Unsicherheiten und die Heterogenität des Spannungsfeldes infolge des Hauptbebens realistisch modellieren? (2)Welche Auswirkungen haben zeitlich variable Spannungsänderungen in der postseismischen Phase? Ich konzentriere mich hierbei auf zwei Beispiele in unterschiedlichen tektonischen Regionen: die Aufschiebung des Mw9.0 Tohoku Erdbeben und die Blattverschiebung des Mw6.0 Parkfield Erdbeben. Ich untersuche aleotorische Unsicherheiten der Coulomb-Spannung durch Variabilität in der Orientierung der betroffenen Bruchflächen und durch Spannungsgradienten innerhalb von Modellzellen. Ich zeige, dass die Existenz der unterschiedlichen Bruchflächen die bedeutenste Quelle für intrinsiche Spannungheterogenität ist und das CRS-Modelle deutlich besser abschneiden, wenn diese Variabilität berücksichtigt wird. Die epistemischen Unsicherheiten aufgrund von unterschiedlichen Ergebnissen von Inversionen von Daten für die Verschiebung entlang der Bruchfläche haben ebenso erhebliche Auswirkungen auf die Vorhersage. Ich gehe dann auf die Rolle von postseismischen Spannung ein, insbesondere auf zwei Prozesse: aseismische Verschiebung entlang der Störungsfläche des Hauptbebens (Afterslip) und die Veränderung von Spannungen durch vorhergehende Nachbeben (sekundäres Triggern). Ich demonstriere, dass das Modellieren von sekundärem Triggern die Modellvorhersage in beiden Fallbeispielen verbessert. Die Einbeziehung von Afterslip verbessert die Qualität der Vorhersage nur für die Nachbebensequenz des Parkfield Erdbebens. Dagegen kann ich nachweisen, dass Afterslip infolge des Tohoku Bebens eine höhere Seismizität auf Abschiebungsflächen im Hangenden begünstigt. Die dargestellten Verbesserungen des CRS-Modells sind sehr vielversprechend im Kontext operationeller Erdbebenvorhersage, verlangen aber nach weiterer Überprüfung. Ich stelle die vorläufigen Ergebnisse eines gemeinschaftlichen Tests für die Erdbebenfolge von Canterbury 2010-2012 vor, welcher von CSEP durchgeführt wurde. Die physikalischen Modelle schneiden hier im Vergleich mit statistischen Modellen gut ab. Daher scheint eine Anwendung von CSR-Modellen, die Unsicherheiten und sekundäres Triggering berücksichtigen, in zukünftigen operationellen Erdbebenvorhersagen empfehlenswert. Um die Bemühungen in dieser Richtung zu unterstützen und weitere Studien zum Triggern von Erdbeben durch zeitabhängige Prozesse zu ermöglichen, habe ich meinen Open Source Code öffentlich zugänglich gemacht. Im letzen Teil dieser Arbeit fasse ich die Leistungsfähigkeit des Programms zusammen und skizziere die technischen Aspekte bezüglich der Effiziens und der Parallelisierung des Programmes. KW - earthquake forecasting KW - earthquake interaction KW - Coulomb stress KW - rate-state friction KW - Erdbebenvorhersage KW - Coulombspannung KW - Erdbebenwechselwirkung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-87097 ER - TY - THES A1 - Zöller, Gert T1 - Critical states of seismicity : modeling and data analysis T1 - Kritische Zustände seismischer Dynamik : Modellierung und Datenanalyse N2 - The occurrence of earthquakes is characterized by a high degree of spatiotemporal complexity. Although numerous patterns, e.g. fore- and aftershock sequences, are well-known, the underlying mechanisms are not observable and thus not understood. Because the recurrence times of large earthquakes are usually decades or centuries, the number of such events in corresponding data sets is too small to draw conclusions with reasonable statistical significance. Therefore, the present study combines both, numerical modeling and analysis of real data in order to unveil the relationships between physical mechanisms and observational quantities. The key hypothesis is the validity of the so-called "critical point concept" for earthquakes, which assumes large earthquakes to occur as phase transitions in a spatially extended many-particle system, similar to percolation models. New concepts are developed to detect critical states in simulated and in natural data sets. The results indicate that important features of seismicity like the frequency-size distribution and the temporal clustering of earthquakes depend on frictional and structural fault parameters. In particular, the degree of quenched spatial disorder (the "roughness") of a fault zone determines whether large earthquakes occur quasiperiodically or more clustered. This illustrates the power of numerical models in order to identify regions in parameter space, which are relevant for natural seismicity. The critical point concept is verified for both, synthetic and natural seismicity, in terms of a critical state which precedes a large earthquake: a gradual roughening of the (unobservable) stress field leads to a scale-free (observable) frequency-size distribution. Furthermore, the growth of the spatial correlation length and the acceleration of the seismic energy release prior to large events is found. The predictive power of these precursors is, however, limited. Instead of forecasting time, location, and magnitude of individual events, a contribution to a broad multiparameter approach is encouraging. N2 - Das Auftreten von Erdbeben zeichnet sich durch eine hohe raumzeitliche Komplexität aus. Obwohl zahlreiche Muster, wie Vor- und Nachbeben bekannt sind, weiß man wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen, da diese sich direkter Beobachtung entziehen. Die Zeit zwischen zwei starken Erdbeben in einer seismisch aktiven Region beträgt Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Folglich ist die Anzahl solcher Ereignisse in einem Datensatz gering und es ist kaum möglich, allein aus Beobachtungsdaten statistisch signifikante Aussagen über deren Eigenschaften abzuleiten. Die vorliegende Arbeit nutzt daher numerische Modellierungen einer Verwerfungszone in Verbindung mit Datenanalyse, um die Beziehung zwischen physikalischen Mechanismen und beobachteter Seismizität zu studieren. Die zentrale Hypothese ist die Gültigkeit des sogenannten "kritischen Punkt Konzeptes" für Seismizität, d.h. starke Erdbeben werden als Phasenübergänge in einem räumlich ausgedehnten Vielteilchensystem betrachtet, ähnlich wie in Modellen aus der statistischen Physik (z.B. Perkolationsmodelle). Es werden praktische Konzepte entwickelt, die es ermöglichen, kritische Zustände in simulierten und in beobachteten Daten sichtbar zu machen. Die Resultate zeigen, dass wesentliche Eigenschaften von Seismizität, etwa die Magnitudenverteilung und das raumzeitliche Clustern von Erdbeben, durch Reibungs- und Bruchparameter bestimmt werden. Insbesondere der Grad räumlicher Unordnung (die "Rauhheit") einer Verwerfungszone hat Einfluss darauf, ob starke Erdbeben quasiperiodisch oder eher zufällig auftreten. Dieser Befund zeigt auf, wie numerische Modelle genutzt werden können, um den Parameterraum für reale Verwerfungen einzugrenzen. Das kritische Punkt Konzept kann in synthetischer und in beobachteter Seismizität verifiziert werden. Dies artikuliert sich auch in Vorläuferphänomenen vor großen Erdbeben: Die Aufrauhung des (unbeobachtbaren) Spannungsfeldes führt zu einer Skalenfreiheit der (beobachtbaren) Größenverteilung; die räumliche Korrelationslänge wächst und die seismische Energiefreisetzung wird beschleunigt. Ein starkes Erdbeben kann in einem zusammenhängenden Bruch oder in einem unterbrochenen Bruch (Vorbeben und Hauptbeben) stattfinden. Die beobachtbaren Vorläufer besitzen eine begrenzte Prognosekraft für die Auftretenswahrscheinlichkeit starker Erdbeben - eine präzise Vorhersage von Ort, Zeit, und Stärke eines nahenden Erdbebens ist allerdings nicht möglich. Die genannten Parameter erscheinen eher vielversprechend als Beitrag zu einem umfassenden Multiparameteransatz für eine verbesserte zeitabhängige Gefährdungsabschätzung. KW - Seismizität KW - Erdbebenvorhersage KW - statistische Physik KW - mathematische Modellierung KW - Datenanalyse KW - seismicity KW - earthquake prediction KW - statistical physics KW - mathematical modeling KW - data analysis Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7427 ER -