TY - JOUR A1 - Zoller, Gert A1 - Holschneider, Matthias A1 - Ben-Zion, Yehuda T1 - The role of heterogeneities as a tuning parameter of earthquake dynamics N2 - We investigate the influence of spatial heterogeneities on various aspects of brittle failure and seismicity in a model of a large strike-slip fault. The model dynamics is governed by realistic boundary conditions consisting of constant velocity motion of regions around the fault, static/kinetic friction laws, creep with depth-dependent coefficients, and 3-D elastic stress transfer. The dynamic rupture is approximated on a continuous time scale using a finite stress propagation velocity ("quasidynamic model''). The model produces a "brittle- ductile'' transition at a depth of about 12.5 km, realistic hypocenter distributions, and other features of seismicity compatible with observations. Previous work suggested that the range of size scales in the distribution of strength-stress heterogeneities acts as a tuning parameter of the dynamics. Here we test this hypothesis by performing a systematic parameter-space study with different forms of heterogeneities. In particular, we analyze spatial heterogeneities that can be tuned by a single parameter in two distributions: ( 1) high stress drop barriers in near- vertical directions and ( 2) spatial heterogeneities with fractal properties and variable fractal dimension. The results indicate that the first form of heterogeneities provides an effective means of tuning the behavior while the second does not. In relatively homogeneous cases, the fault self-organizes to large-scale patches and big events are associated with inward failure of individual patches and sequential failures of different patches. The frequency-size event statistics in such cases are compatible with the characteristic earthquake distribution and large events are quasi-periodic in time. In strongly heterogeneous or near-critical cases, the rupture histories are highly discontinuous and consist of complex migration patterns of slip on the fault. In such cases, the frequency-size and temporal statistics follow approximately power-law relations Y1 - 2005 SN - 0033-4553 ER - TY - JOUR A1 - Zoller, Gert A1 - Hainzl, Sebastian A1 - Holschneider, Matthias A1 - Ben-Zion, Yehuda T1 - Aftershocks resulting from creeping sections in a heterogeneous fault N2 - We show that realistic aftershock sequences with space-time characteristics compatible with observations are generated by a model consisting of brittle fault segments separated by creeping zones. The dynamics of the brittle regions is governed by static/kinetic friction, 3D elastic stress transfer and small creep deformation. The creeping parts are characterized by high ongoing creep velocities. These regions store stress during earthquake failures and then release it in the interseismic periods. The resulting postseismic deformation leads to aftershock sequences following the modified Omori law. The ratio of creep coefficients in the brittle and creeping sections determines the duration of the postseismic transients and the exponent p of the modified Omori law Y1 - 2005 SN - 0094-8276 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 -