TY - THES A1 - Al-Halbouni, Djamil T1 - Photogrammetry and distinct element geomechanical modelling of sinkholes and large-scale karstic depressions T1 - Photogrammetrie und geomechanische Diskrete-Elemente-Modellierung von Erdfällen und großskaligen Karstsenken N2 - Sinkholes and depressions are typical landforms of karst regions. They pose a considerable natural hazard to infrastructure, agriculture, economy and human life in affected areas worldwide. The physio-chemical processes of sinkholes and depression formation are manifold, ranging from dissolution and material erosion in the subsurface to mechanical subsidence/failure of the overburden. This thesis addresses the mechanisms leading to the development of sinkholes and depressions by using complementary methods: remote sensing, distinct element modelling and near-surface geophysics. In the first part, detailed information about the (hydro)-geological background, ground structures, morphologies and spatio-temporal development of sinkholes and depressions at a very active karst area at the Dead Sea are derived from satellite image analysis, photogrammetry and geologic field surveys. There, clusters of an increasing number of sinkholes have been developing since the 1980s within large-scale depressions and are distributed over different kinds of surface materials: clayey mud, sandy-gravel alluvium and lacustrine evaporites (salt). The morphology of sinkholes differs depending in which material they form: Sinkholes in sandy-gravel alluvium and salt are generally deeper and narrower than sinkholes in the interbedded evaporite and mud deposits. From repeated aerial surveys, collapse precursory features like small-scale subsidence, individual holes and cracks are identified in all materials. The analysis sheds light on the ongoing hazardous subsidence process, which is driven by the base-level fall of the Dead Sea and by the dynamic formation of subsurface water channels. In the second part of this thesis, a novel, 2D distinct element geomechanical modelling approach with the software PFC2D-V5 to simulating individual and multiple cavity growth and sinkhole and large-scale depression development is presented. The approach involves a stepwise material removal technique in void spaces of arbitrarily shaped geometries and is benchmarked by analytical and boundary element method solutions for circular cavities. Simulated compression and tension tests are used to calibrate model parameters with bulk rock properties for the materials of the field site. The simulations show that cavity and sinkhole evolution is controlled by material strength of both overburden and cavity host material, the depth and relative speed of the cavity growth and the developed stress pattern in the subsurface. Major findings are: (1) A progressively deepening differential subrosion with variable growth speed yields a more fragmented stress pattern with stress interaction between the cavities. It favours multiple sinkhole collapses and nesting within large-scale depressions. (2) Low-strength materials do not support large cavities in the material removal zone, and subsidence is mainly characterised by gradual sagging into the material removal zone with synclinal bending. (3) High-strength materials support large cavity formation, leading to sinkhole formation by sudden collapse of the overburden. (4) Large-scale depression formation happens either by coalescence of collapsing holes, block-wise brittle failure, or gradual sagging and lateral widening. The distinct element based approach is compared to results from remote sensing and geophysics at the field site. The numerical simulation outcomes are generally in good agreement with derived morphometrics, documented surface and subsurface structures as well as seismic velocities. Complementary findings on the subrosion process are provided from electric and seismic measurements in the area. Based on the novel combination of methods in this thesis, a generic model of karst landform evolution with focus on sinkhole and depression formation is developed. A deepening subrosion system related to preferential flow paths evolves and creates void spaces and subsurface conduits. This subsequently leads to hazardous subsidence, and the formation of sinkholes within large-scale depressions. Finally, a monitoring system for shallow natural hazard phenomena consisting of geodetic and geophysical observations is proposed for similarly affected areas. N2 - Dolinen und Senken sind typische Landformen von Karstgebieten. Sie stellen in den betroffenen Gebieten weltweit ein erhebliches Naturrisiko für Infrastruktur, Landwirtschaft, Wirtschaft und das menschliche Leben dar. Die physikalisch-chemischen Prozesse der Entstehung solcher Senkungen sind vielfältig und reichen von Auflösung und Materialerosion im Untergrund bis zu mechanischem Absenken/Bruchs des Oberbodens. Diese Arbeit betrachtet die Mechanismen, die zur Entwicklung von Dolinen und Senken führen, anhand von verschiedenen geowissenschaftlichen Methoden:Fernerkundung, Gesteinsmechanischer Modellierung und pberflächennaher Geophysik. Im ersten Teil werden detaillierte Informationen über den geologischen Hintergrund, Bodenstrukturen, Formen und die räumlich-zeitliche Entwicklung von Senkungen an einem sehr aktiven Karstgebiet am Toten Meer zusammengetragen. Dort bilden sich seit den 1980er Jahren immer größere Ansammlungen von Erdfällen, wie diese Phänomene auch oft genannt werden. Die Form der Erdfälle unterscheidet sich je nach Material, in dem sie entstehen: Erdfälle in Sand-Kies Böden und Salz sind im Allgemeinen tiefer und schmaler als Dolinen in den Schlammablagerungen des Toten Meeres. Wiederholte Aufnahmen aus der Luft mit Hilfe von Drohnen oder Ballons helfen dabei, kleine Absenkungen, einzelne Löcher und Risse zu identifizieren. Die Ursache dieser gefährlichen Absenkungen am Toten Meer ist in dem stetigen Fall des Seespiegels und der Bildung von starken Unterwasserkanälen zu sehen, die fortlaufend Material aus dem Boden herausspülen, sog. Subrosion. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuer, geomechanischer Modellierungsansatz zur Simulation des Wachstums von Hohlräumen im Untergrund und der Bildung von Senkungsstrukturen vorgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die Entwicklung der Hohlräume und Erdfälle durch die Materialstärke, die Tiefe und Geschwindigkeit des Hohlraumwachstums und durch das sich bildende Spannungsmuster im Untergrund gesteuert wird. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: (1) Eine fortlaufend sich vertiefende Subrosion mit variabler Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einem stärker fragmentierten Spannungsmuster im Boden. Es begünstigt das Bilden von ineinander verschachtelten Erdfällen (Cluster) in großen Vertiefungen. (2) Materialien mit niedriger Festigkeit (wie z.B. Schlamm) können keine großen Hohlräume bilden, und das Absinken geschieht durch ein allmähliches Absacken. (3) Materialien mit hoher Festigkeit (wie z.B. verfestigte Sande/Kiese oder Steinsalz) unterstützen die Bildung großer Hohlräume, was zu einem plötzlichen Zusammenbruch des Oberbodens führen kann. (4) Großskalige Senkungsstrukturen bilden sich entweder durch das Verschachteln von kleineren Dolinen, blockweise sprödem Versagen, oder das allmähliche Absinken mit seitlicher Erweiterung. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen stimmen im Allgemeinen sehr gut sowohl mit den beobachteten Senkungsformen an der Oberfläche überein, als auch mit Untergrundstrukturen beobachtet durch seismische und elektrische Methoden. Basierend auf der neuartigen Methodenkombination dieser Arbeit wird ein generisches Modell der Entwicklung von Senkungsstrukturen in Karstgebieten vorgestellt. Eine sich vertiefende Subrosion entlang von unterirdischen Kanälen erzeugt Hohlräume und führt in der Folge zu diesen gefährlichen Absenkungen und zur Bildung von Erdfällen innerhalb großer Vertiefungen. KW - Photogrammetry KW - Sinkholes KW - Karst KW - Discrete Element Method KW - Geomechanical Modelling KW - Applied Geophysics KW - Natural Hazards KW - Photogrammetrie KW - Erdfälle KW - Karst KW - Diskrete-Elemente-Methode KW - Geomechanische Modellierung KW - Angewandte Geophysik KW - Naturgefahren Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432159 ER - TY - THES A1 - Mauerberger, Stefan T1 - Correlation based Bayesian modeling T1 - Korrelationsbasierte Bayesianische Modellierung BT - with applications in travel time tomography, seismic source inversion and magnetic field modeling BT - mit Anwendungen in der Laufzeittomographie, Seismischer Quellinversion und Magnetfeldmodellierung N2 - The motivation for this work was the question of reliability and robustness of seismic tomography. The problem is that many earth models exist which can describe the underlying ground motion records equally well. Most algorithms for reconstructing earth models provide a solution, but rarely quantify their variability. If there is no way to verify the imaged structures, an interpretation is hardly reliable. The initial idea was to explore the space of equivalent earth models using Bayesian inference. However, it quickly became apparent that the rigorous quantification of tomographic uncertainties could not be accomplished within the scope of a dissertation. In order to maintain the fundamental concept of statistical inference, less complex problems from the geosciences are treated instead. This dissertation aims to anchor Bayesian inference more deeply in the geosciences and to transfer knowledge from applied mathematics. The underlying idea is to use well-known methods and techniques from statistics to quantify the uncertainties of inverse problems in the geosciences. This work is divided into three parts: Part I introduces the necessary mathematics and should be understood as a kind of toolbox. With a physical application in mind, this section provides a compact summary of all methods and techniques used. The introduction of Bayesian inference makes the beginning. Then, as a special case, the focus is on regression with Gaussian processes under linear transformations. The chapters on the derivation of covariance functions and the approximation of non-linearities are discussed in more detail. Part II presents two proof of concept studies in the field of seismology. The aim is to present the conceptual application of the introduced methods and techniques with moderate complexity. The example about traveltime tomography applies the approximation of non-linear relationships. The derivation of a covariance function using the wave equation is shown in the example of a damped vibrating string. With these two synthetic applications, a consistent concept for the quantification of modeling uncertainties has been developed. Part III presents the reconstruction of the Earth's archeomagnetic field. This application uses the whole toolbox presented in Part I and is correspondingly complex. The modeling of the past 1000 years is based on real data and reliably quantifies the spatial modeling uncertainties. The statistical model presented is widely used and is under active development. The three applications mentioned are intentionally kept flexible to allow transferability to similar problems. The entire work focuses on the non-uniqueness of inverse problems in the geosciences. It is intended to be of relevance to those interested in the concepts of Bayesian inference. N2 - Die Motivation für diese Arbeit war die Frage nach Verlässlichkeit und Belastbarkeit der seismischen Tomographie. Das Problem besteht darin, dass sehr viele Erdmodelle existieren welche die zugrundeliegenden seismischen Aufzeichnungen gleich gut beschreiben können. Die meisten Algorithmen zur Rekonstruktion von Erdmodellen liefern zwar eine Lösung, quantifizierten jedoch kaum deren Variabilität. Wenn es keine Möglichkeit gibt die abgebildeten Strukturen zu verifizieren, so ist eine Interpretation kaum verlässlich. Der ursprüngliche Gedanke war den Raum äquivalenter Erdmodelle mithilfe Bayesianische Inferenz zu erkunden. Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass die vollständige Quantifizierung tomographischer Unsicherheiten im Rahmen einer Promotion nicht zu bewältigen ist. Um das wesentliche Konzept der statistischen Inferenz beizubehalten werden stattdessen weniger komplexe Problemstellungen aus den Geowissenschaften behandelt. Diese Dissertation hat das Ziel die Bayesianische Inferenz tiefer in den Geowissenschaften zu verankern und Wissen aus der angewandten Mathematik zu transferieren. Die zugrundeliegende Idee besteht darin auf bekannte Methoden und Techniken der Statistik zurückzugreifen um die Unsicherheiten inverser Probleme in den Geowissenschaften zu quantifizieren. Diese Arbeit gliedert sich in drei Teile: Teil I führt die notwendige Mathematik ein und soll als eine Art Werkzeugkasten verstanden werden. In Hinblick auf eine physikalische Anwendung bietet dieser Abschnitt eine kompakte Zusammenfassung aller eingesetzter Methoden und Techniken. Den Anfang macht die Einführung der Bayesianische Inferenz. Danach steht als Spezialfall die Regression mit Gauß-Prozessen unter linearen Transformationen im Vordergrund. Die Kapitel zur Herleitung von Kovarianzfunktionen und die Approximation von Nichtlinearitäten gehen etwas weiter in die Tiefe. Teil II präsentiert zwei Konzeptstudien aus dem Bereich der Seismologie. Ziel ist es bei moderater Komplexität die prinzipielle Anwendung der eingeführten Methoden und Techniken zu präsentieren. Das Beispiel zur Laufzeittomographie wendet die Näherungs\-methoden für nichtlineare Zusammenhänge an. Die Herleitung einer Kovarianzfunktion mithilfe der Wellengleichung ist am Beispiel der gedämpften Saitenschwingung gezeigt. Mit diesen beiden synthetischen Anwendungen wurde ein konsistentes Konzept zur Quantifizierung von Modellierungsunsicherheiten erarbeitet. Teil III präsentiert die Rekonstruktion des archeomagnetischen Feldes unserer Erde. Diese Anwendung nutzt den gesamten Werkzeugkasten aus Teil I und ist entsprechend umfangreich. Die Modellierung der vergangenen 1000 Jahre basiert auf echten Daten und quantifiziert zuverlässig die räumlichen Modellierungsunsicherheiten. Das präsentierte statistische Modell findet breite Anwendung und wird aktiv weiter entwickelt. Die drei genannten Anwendungen sind bewusst flexibel gehalten um die Übertragbarkeit auf ähnliche Problemstellungen zu ermöglichen. Die gesamte Arbeit legt den Fokus auf die nicht-Eindeutigkeit inverser Probleme in den Geowissenschaften. Sie will für all Jene von Relevanz sein, die sich für die Konzepte der Bayesianischen Inferenz interessieren. KW - statistical inference KW - Bayesian inversion KW - travel time tomography KW - seismic source inversion KW - magnetic field modeling KW - mit Anwendungen in der Laufzeittomographie, Seismischer Quellinversion und Magnetfeldmodellierung KW - Magnetfeldmodellierung KW - seismische Quellinversion KW - statistische Inferenz KW - Laufzeittomographie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-537827 ER - TY - THES A1 - Niemz, Peter T1 - Imaging and modeling of hydraulic fractures in crystalline rock via induced seismic activity T1 - Charakterisierung und Modellierung hydraulischer Brüche in Kristallingestein mit Hilfe induzierter Seismizität N2 - Enhanced geothermal systems (EGS) are considered a cornerstone of future sustainable energy production. In such systems, high-pressure fluid injections break the rock to provide pathways for water to circulate in and heat up. This approach inherently induces small seismic events that, in rare cases, are felt or can even cause damage. Controlling and reducing the seismic impact of EGS is crucial for a broader public acceptance. To evaluate the applicability of hydraulic fracturing (HF) in EGS and to improve the understanding of fracturing processes and the hydromechanical relation to induced seismicity, six in-situ, meter-scale HF experiments with different injection schemes were performed under controlled conditions in crystalline rock in a depth of 410 m at the Äspö Hard Rock Laboratory (Sweden). I developed a semi-automated, full-waveform-based detection, classification, and location workflow to extract and characterize the acoustic emission (AE) activity from the continuous recordings of 11 piezoelectric AE sensors. Based on the resulting catalog of 20,000 AEs, with rupture sizes of cm to dm, I mapped and characterized the fracture growth in great detail. The injection using a novel cyclic injection scheme (HF3) had a lower seismic impact than the conventional injections. HF3 induced fewer AEs with a reduced maximum magnitude and significantly larger b-values, implying a decreased number of large events relative to the number of small ones. Furthermore, HF3 showed an increased fracture complexity with multiple fractures or a fracture network. In contrast, the conventional injections developed single, planar fracture zones (Publication 1). An independent, complementary approach based on a comparison of modeled and observed tilt exploits transient long-period signals recorded at the horizontal components of two broad-band seismometers a few tens of meters apart from the injections. It validated the efficient creation of hydraulic fractures and verified the AE-based fracture geometries. The innovative joint analysis of AEs and tilt signals revealed different phases of the fracturing process, including the (re-)opening, growth, and aftergrowth of fractures, and provided evidence for the reactivation of a preexisting fault in one of the experiments (Publication 2). A newly developed network-based waveform-similarity analysis applied to the massive AE activity supports the latter finding. To validate whether the reduction of the seismic impact as observed for the cyclic injection schemes during the Äspö mine-scale experiments is transferable to other scales, I additionally calculated energy budgets for injection experiments from previously conducted laboratory tests and from a field application. Across all three scales, the cyclic injections reduce the seismic impact, as depicted by smaller maximum magnitudes, larger b-values, and decreased injection efficiencies (Publication 3). N2 - Hydraulisch-stimulierte tiefengeothermale Systeme (Enhanced Geothermal systems, EGS) gelten als einer der Eckpfeiler für die nachhaltige Energieerzeugung der Zukunft. In diesen geothermalen Systemen wird heißes Tiefengestein durch Fluidinjektionen unter hohem Druck aufgebrochen, um Wegsamkeiten zur Erwärmung von Wasser oder anderen Fluiden zu schaffen. Beim Aufbrechen werden zwangsläufig kleine seismische Ereignisse ausgelöst (induzierte Seismizität), die in sehr seltenen Fällen an der Oberfläche spürbar sind, jedoch in extremen Fällen auch Schäden verursachen können. Die Kontrolle bzw. die Reduzierung der seismischen Aktivität in EGS ist daher ein entscheidender Punkt, damit diese Art der Energiegewinnung eine breite gesellschaftliche Akzeptanz findet. Grundlage dieser Dissertation ist eine Serie von kontrollierten, hydraulischen Bruchexperimenten mit Bruchdimensionen von einigen Metern. Die Experimente wurden in einer Tiefe von 410 m in kristallinem Gestein eines Versuchsbergwerks (Äspö Hard Rock Laboratory, Schweden) mit unterschiedlichen Injektionsstrategien durchgeführt. Die detaillierte Auswertung der Bruch-Experimente in dieser Dissertation zielt darauf ab, die Nutzbarkeit von hydraulischen Stimulationen (hydraulic fracturing, HF) in EGS zu untersuchen und das Verständnis von Bruchprozessen sowie der hydromechanischen Beziehung zur induzierten Seismizität zu verbessern. Um die Schallemissionsaktivität (acoustic emissions, AE), die durch 11 piezoelektrische AE-Sensoren kontinuierlich aufgezeichnet wurde, zu extrahieren und zu charakterisieren, wurde ein halbautomatischer, wellenformbasierter Detektions-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsworkflow entwickelt. Mit Hilfe des resultierenden Katalogs von 20000 AEs wurde das Bruchwachstum detailliert kartiert und charakterisiert. Das Experiment mit der neuartigen, zyklischen Injektionsstrategie (HF3) weist einen geringeren seismischen Fußabdruck auf als die Standard-Injektionsstrategie. HF3 induzierte weniger AEs und eine kleinere Maximalmagnitude. Außerdem hatte das Experiment einen signifikant höheren b-Wert, was einer verringerten Anzahl von großen AEs relativ zur Anzahl der kleineren AEs entspricht. Darüber hinaus zeigte HF3 eine erhöhte Komplexität im Bruchmuster mit mehreren Brüchen bzw. einem Netzwerk von Brüchen. Im Gegensatz dazu entwickelten die Standard-Injektionen einzelne, ebene Bruchzonen (Publikation 1). Zusätzlich zu den induzierten AEs wurden transiente, langperiodische Signale auf den horizontalen Komponenten von zwei Breitband-Seismometern, die wenige Meter von den Brüchen installiert waren, ausgewertet. Diese Signale wurden als Neigungssignale interpretiert und mit modellierten Neigungssignalen verglichen. Der Vergleich zeigt unabhängig, dass hydraulische Brüche geöffnet wurden und bestätigt, dass die AE-basierte Analyse die Bruchgeometrie verlässlich kartieren kann. Die gemeinsame Betrachtung von AEs und Neigungssignalen offenbart verschiedene Phasen des Bruchprozesses: das (wiederholte) Öffnen des Bruches, das Bruchwachstum und das weitere Wachsen des Bruches nach dem Ende der Injektion. Außerdem liefert die Analyse Hinweise auf die Reaktivierung einer natürlichen Bruchzone in einem der Experimente (Publikation 2). Eine neuentwickelte und hier präsentierte Wellenform-Ähnlichkeitsanalyse, die Informationen des gesamten Sensornetzwerkes nutzt und zum ersten Mal auf einen umfangreichen AE-Katalog angewendet wurde, unterstützt diese Interpretation. Um zu validieren, ob die verringerte Seismizität während der zyklischen Injektion auf der Meter-Skala (Bergwerk) auf andere Maßstäbe übertragbar ist, wurden Energie-Budgets für Injektionsexperimente aus zuvor durchgeführten Laborversuchen und aus einem Tiefengeothermie-Projekt berechnet. Über alle drei Skalen hinweg zeigen die zyklischen Injektionen einen verringerten seismischen Fußabdruck mit kleineren Maximalmagnituden, größeren b-Werte und einem kleineren Verhältnis von seismisch-abgestrahlter zu injizierter Energie (Publikation 3). KW - induced seismicity KW - hydraulic fracturing KW - enhanced geothermal systems (EGS) KW - injection KW - deformation KW - acoustic emissions KW - fracture growth KW - injection scheme KW - basement rock KW - Schallemissionen KW - Grundgestein KW - Deformation KW - verbesserte geothermische Systeme KW - Bruchausbreitung KW - hydraulisches Aufbrechen KW - Induzierte Seismizität KW - Injektion KW - Injektionsschema Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556593 ER - TY - THES A1 - Petersen, Gesa Maria T1 - Source studies of small earthquakes in the AlpArray: CMT inversion, seismo-tectonic analysis and methodological developments T1 - Herdmechanismen von kleinen Erdbeben im AlpArray: CMT-Inversion, seismotektonische Analyse und methodische Entwicklungen N2 - Centroid moment tensor inversion can provide insight into ongoing tectonic processes and active faults. In the Alpine mountains (central Europe), challenges result from low signal-to-noise ratios of earthquakes with small to moderate magnitudes and complex wave propagation effects through the heterogeneous crustal structure of the mountain belt. In this thesis, I make use of the temporary installation of the dense AlpArray seismic network (AASN) to establish a work flow to study seismic source processes and enhance the knowledge of the Alpine seismicity. The cumulative thesis comprises four publications on the topics of large seismic networks, seismic source processes in the Alps, their link to tectonics and stress field, and the inclusion of small magnitude earthquakes into studies of active faults. Dealing with hundreds of stations of the dense AASN requires the automated assessment of data and metadata quality. I developed the open source toolbox AutoStatsQ to perform an automated data quality control. Its first application to the AlpArray seismic network has revealed significant errors of amplitude gains and sensor orientations. A second application of the orientation test to the Turkish KOERI network, based on Rayleigh wave polarization, further illustrated the potential in comparison to a P wave polarization method. Taking advantage of the gain and orientation results of the AASN, I tested different inversion settings and input data types to approach the specific challenges of centroid moment tensor (CMT) inversions in the Alps. A comparative study was carried out to define the best fitting procedures. The application to 4 years of seismicity in the Alps (2016-2019) substantially enhanced the amount of moment tensor solutions in the region. We provide a list of moment tensors solutions down to magnitude Mw 3.1. Spatial patterns of typical focal mechanisms were analyzed in the seismotectonic context, by comparing them to long-term seismicity, historical earthquakes and observations of strain rates. Additionally, we use our MT solutions to investigate stress regimes and orientations along the Alpine chain. Finally, I addressed the challenge of including smaller magnitude events into the study of active faults and source processes. The open-source toolbox Clusty was developed for the clustering of earthquakes based on waveforms recorded across a network of seismic stations. The similarity of waveforms reflects both, the location and the similarity of source mechanisms. Therefore the clustering bears the opportunity to identify earthquakes of similar faulting styles, even when centroid moment tensor inversion is not possible due to low signal-to-noise ratios of surface waves or oversimplified velocity models. The toolbox is described through an application to the Zakynthos 2018 aftershock sequence and I subsequently discuss its potential application to weak earthquakes (Mw<3.1) in the Alps. N2 - Die Erforschung der Bruchmechanismen von Erdbeben in den Alpen bietet Einblicke in aktuelle tektonische Prozesse. Typischerweise niedrige bis mittlere Erdbebenmagnituden und die heterogene Krustenstruktur des alpinischen Gebirges erschweren die zu dieser Erforschung durchgeführten Momententensorinversionen. In dieser Dissertation stelle ich einen Arbeitsablauf vor, mit dem ich die Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 studiert habe. Datengrundlage bildet dabei das temporäre AlpArray Netzwerk (AASN - AlpArray seismic network). Die kumulative Dissertation besteht aus vier Publikationen, die sich einerseits mit den Möglichkeiten und Herausforderungen von großen seismischen Netzwerken und andererseits mit der Erforschung der Bruchprozesse beschäftigen. Dabei wird sowohl auf die Verbindung von den Herdmechanismen und anderen Informationen wie Seismizität, Tektonik und Spannungsfeld eingegangen, als auch untersucht, wie kleinere Erdbeben unser Wissen erweitern können. Die Nutzung der großen Anzahl von Sensoren des AASN erfordert eine sorgfältige Kontrolle von Wellenformdaten und Stations-Metadaten. Um diese aufwändige Aufgabe weitmöglichst zu automatisieren, habe ich die open source toolbox AutoStatsQ entwickelt. Die Verwendung von AutoStatsQ zur Überprüfung des AASN zeigte mehrere signifikante Fehler in den Wellenform-Amplituden und in den Orientierungen der Horizontalkomponenten der Sensoren. Bei einer zweiten Anwendung des Orientierungstests von AutoStatsQ auf das türkische KOERI Netzwerk zeigten sich ebenfalls zahlreiche fehlerhaft orientierte Sensoren. Ein Vergleich mit einer zweiten Methode, basierend auf P-Wellen anstatt von Rayleigh-Wellen, zeigt weitestgehend übereinstimmende Ergebnisse. Basierend auf der Datenqualitätsstudie des AASN werden in der dritten Publikation systematisch verschiedene Einstellungen (z.B. Frequenzbänder, Datentypen, Azimuthale Abdeckung) für Momententensorinversionen getestet und vergleichen. Anschließend wurden Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 mit Magnituden ab Mw 3.1 analysiert. Zur Interpretation der Ergebnisse im seismotektonischen Zusammenhang werden zusätzlich ältere Momententensorlösungen, Seismizitätskataloge ab 1970, historische Erdbeben und Deformation basierend auf Satellitendaten betrachtet. Aufgrund des Signal-Rausch-Verhältnisses von Oberflächenwellen müssten im Falle von Erdbeben mit kleineren Magnituden (Mw<3.1) höherfrequentere Raumwellen genutzt werden. Je höher der Frequenzbereich, desto größer sind die Einflüsse von Heterogenitäten entlang der Laufwege, sodass einfache 1-D Geschwindigkeitsmodelle nicht ausreichen. Um trotzdem kleinere Erdbeben in die Studien von aktiven Störungen einzubeziehen, haben wir die open-source toolbox Clusty entwickelt. Diese nutzt die Ähnlichkeit von Wellenformen in einem seismischen Netzwerk, um Erdbeben zu gruppieren. Die Ähnlichkeit von Wellenformen zweier Erdbeben über ein Netzwerk resultiert dabei sowohl aus der Ähnlichkeit der Herdmechanismen als auch aus der Lokation der Beben. Der Ketten-ähnliche clustering Ansatz ermöglicht es dabei, graduelle Wellenform-Unterschiede aufgrund von Lokationsänderungen entlang einer Störungszone zu berücksichtigen. Das clustering bietet folglich die Möglichkeit, Beben mit ähnlichen Herdmechanismen zu identifizieren und somit Störungszonen nachzuzeichnen. Die toolbox wird in der vierten Publikation anhand einer Anwendung auf die Nachbebensequenz des Zakynthos Bebens von 2018 beschrieben. Anschließend daran diskutiere ich, wie eine Anwendung auf die Alpen unsere Studien der Bruchprozesse und aktiven Störungen erweitern kann. KW - Moment tensor inversion KW - AlpArray KW - Alps KW - Earthquakes KW - Erdbeben KW - Momententensorinversion KW - Alpen KW - AlpArray Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525635 ER - TY - THES A1 - Nooshiri, Nima T1 - Improvement of routine seismic source parameter estimation based on regional and teleseismic recordings T1 - Verbesserung von Standard-Verfahren zur Abschätzung von seismischen Quellparametern auf regionalen und teleseismischen Distanzen N2 - Seismological agencies play an important role in seismological research and seismic hazard mitigation by providing source parameters of seismic events (location, magnitude, mechanism), and keeping these data accessible in the long term. The availability of catalogues of seismic source parameters is an important requirement for the evaluation and mitigation of seismic hazards, and the catalogues are particularly valuable to the research community as they provide fundamental long-term data in the geophysical sciences. This work is well motivated by the rising demand for developing more robust and efficient methods for routine source parameter estimation, and ultimately generation of reliable catalogues of seismic source parameters. Specifically, the aim of this work is to develop some methods to determine hypocentre location and temporal evolution of seismic sources based on regional and teleseismic observations more accurately, and investigate the potential of these methods to be integrated in near real-time processing. To achieve this, a location method that considers several events simultaneously and improves the relative location accuracy among nearby events has been provided. This method tries to reduce the biasing effects of the lateral velocity heterogeneities (or equivalently to compensate for limitations and inaccuracies in the assumed velocity model) by calculating a set of timing corrections for each seismic station. The systematic errors introduced into the locations by the inaccuracies in the assumed velocity structure can be corrected without explicitly solving for a velocity model. Application to sets of multiple earthquakes in complex tectonic environments with strongly heterogeneous structure such as subduction zones and plate boundary region demonstrate that this relocation process significantly improves the hypocentre locations compared to standard locations. To meet the computational demands of this location process, a new open-source software package has been developed that allows for efficient relocation of large-scale multiple seismic events using arrival time data. Upon that, a flexible location framework is provided which can be tailored to various application cases on local, regional, and global scales. The latest version of the software distribution including source codes, a user guide, an example data set, and a change history, is freely available to the community. The developed relocation algorithm has been modified slightly and then its performance in a simulated near real-time processing has been evaluated. It has been demonstrated that applying the proposed technique significantly reduces the bias in routine locations and enhance the ability to locate the lower magnitude events using only regional arrival data. Finally, to return to emphasis on global seismic monitoring, an inversion framework has been developed to determine the seismic source time function through direct waveform fitting of teleseismic recordings. The inversion technique can be systematically applied to moderate- size seismic events and has the potential to be performed in near real-time applications. It is exemplified by application to an abnormal seismic event; the 2017 North Korean nuclear explosion. The presented work and application case studies in this dissertation represent the first step in an effort to establish a framework for automatic, routine generation of reliable catalogues of seismic event locations and source time functions. N2 - Seismologische Dienste spielen eine wichtige Rolle in der seismologischen Forschung und Gefährdungsanalyse, indem sie Quellparameter für seismische Ereignisse (Lokalisierung, Stärke, Mechanismus) bereitstellen und diese Daten langfristig verfügbar machen. Die Verfügbarkeit von Katalogen seismischer Quellparameter ist eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung der seismischen Gefährdung und Minderung der Auswirkungen von Erdbeben. Die seismischen Kataloge sind für die Forschungsgemeinschaft besonders wertvoll, da sie grundlegende Hintergrundsdaten über lange Zeiträume liefern. Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die steigende Nachfrage nach der Entwicklung robusterer und effizienterer Methoden für die routinemäßige Schätzung von Quellparametern und schließlich die Verbesserung der Qualität und Quantität der seismischen Kataloge. Ziel dieser Arbeit ist es insbesondere Methoden zu entwickeln, um die Lokalisierung von Hypozentren und die zeitliche Entwicklung der Momentfreisetzung bei einem Erdbeben auf der Grundlage regionaler und teleseismischer Beobachtungen genauer zu bestimmen, und das Potenzial dieser Methoden für eine zeitnahe Verarbeitung zu untersuchen. Um dies zu erreichen, wurde eine Lokalisierungsmethode bereitgestellt, die mehrere Ereignisse gleichzeitig berücksichtigt und die relative Genauigkeit der Hypozentren zwischen benachbarten Ereignissen verbessert. Dieses Verfahren versucht, die Verzerrungen durch Geschwindigkeits-heterogenitäten zu reduzieren, oder äquivalent Einschränkungen und Ungenauigkeiten in dem angenommenen Geschwindigkeitsmodell auszugleichen, indem richtungsabhängige Zeitkorrekturen für jede seismische Station berechnet werden. Die systematischen Fehler, die durch die Ungenauigkeiten in der angenommenen Geschwindigkeitsstruktur in die Lokalisierung projiziert werden, können korrigiert werden, ohne explizit nach einem Geschwindigkeitsmodell zu lösen. Die Anwendung auf Ensemble von Erdbeben in tektonischen Situationen mit stark heterogener, komplexer Struktur wie Subduktionszonen und Plattengrenzregionen zeigt, dass diese Relokalisierung die Hypozentren im Vergleich zu Standardlokalisierungen signifikant verbessert. Um den rechnerischen Anforderungen der Lokalisierung gerecht zu werden, wurde ein neues Open-Source-Softwarepaket entwickelt, das eine effiziente Relokalisierung einer großen Anzahl von Erdbeben unter Verwendung von Ankunftszeitdaten ermöglicht. Daraufhin wird ein flexibler Lokalisierungsrahmen bereitgestellt, der an verschiedene Fälle auf lokaler, regionaler und globaler Ebene angepasst werden kann. Die neueste Version der Software einschließlich Quellcodes, Benutzerhandbuch, Beispieldatensatz und Änderungsverlauf ist für die Öffentlichkeit frei verfügbar. Der entwickelte Relokalisierungs-Algorithmus wurde geringfügig verändert und anschließend seine Leistung in einem simulierten Echtzeit Prozess bewertet. Es zeigte sich, dass die Anwendung der vorgeschlagenen Technik die Verzerrung der Hypozentren der Routineauswertung erheblich verringert und die Fähigkeit zum Lokalisieren der Ereignisse mit niedriger Magnitude unter Verwendung nur regionaler Ankunftsdaten verbessert. Um sich wieder auf die globale seismische Überwachung zu konzentrieren, wurde schließlich ein Inversionssystem entwickelt, um die Zeitfunktion der seismischen Quelle durch direkte Wellenformanpassung von teleseismischen Aufzeichnungen zu bestimmen. Die Inversionstechnik kann systematisch auf seismische Ereignisse mittlerer Größe angewendet werden und hat das Potenzial, in nahezu Echtzeitanwendungen ausgeführt zu werden. Dies wird beispielhaft durch die Anwendung auf ein abnormales seismisches Ereignis veranschaulicht: die nordkoreanische Atomexplosion 2017. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeits- und Anwendungsfallstudien stellen den ersten Schritt dar, um einen Rahmen für die automatische, routinemäßige Erzeugung zuverlässiger Kataloge von seismischen Ereignisorten und Quellzeitfunktion zu schaffen. KW - observational seismology KW - earthquake bulletin data KW - seismic event localization KW - seismic source-time function estimation KW - beobachtende Seismologie KW - Erdbebenkatalogdaten KW - seismische Ereignislokalisierung KW - Herdzeit Parameter Abschätzung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459462 ER - TY - THES A1 - Kriegerowski, Marius T1 - Development of waveform-based, automatic analysis tools for the spatio-temporal characterization of massive earthquake clusters and swarms N2 - Earthquake swarms are characterized by large numbers of events occurring in a short period of time within a confined source volume and without significant mainshock aftershock pattern as opposed to tectonic sequences. Intraplate swarms in the absence of active volcanism usually occur in continental rifts as for example in the Eger Rift zone in North West Bohemia, Czech Republic. A common hypothesis links event triggering to pressurized fluids. However, the exact causal chain is often poorly understood since the underlying geotectonic processes are slow compared to tectonic sequences. The high event rate during active periods challenges standard seismological routines as these are often designed for single events and therefore costly in terms of human resources when working with phase picks or computationally costly when exploiting full waveforms. This methodological thesis develops new approaches to analyze earthquake swarm seismicity as well as the underlying seismogenic volume. It focuses on the region of North West (NW) Bohemia, a well studied, well monitored earthquake swarm region. In this work I develop and test an innovative approach to detect and locate earthquakes using deep convolutional neural networks. This technology offers great potential as it allows to efficiently process large amounts of data which becomes increasingly important given that seismological data storage grows at increasing pace. The proposed deep neural network trained on NW Bohemian earthquake swarm records is able to locate 1000 events in less than 1 second using full waveforms while approaching precision of double difference relocated catalogs. A further technological novelty is that the trained filters of the deep neural network’s first layer can be repurposed to function as a pattern matching event detector without additional training on noise datasets. For further methodological development and benchmarking, I present a new toolbox to generate realistic earthquake cluster catalogs as well as synthetic full waveforms of those clusters in an automated fashion. The input is parameterized using constraints on source volume geometry, nucleation and frequency-magnitude relations. It harnesses recorded noise to produce highly realistic synthetic data for benchmarking and development. This tool is used to study and assess detection performance in terms of magnitude of completeness Mc of a full waveform detector applied to synthetic data of a hydrofracturing experiment at the Wysin site, Poland. Finally, I present and demonstrate a novel approach to overcome the masking effects of wave propagation between earthquake and stations and to determine source volume attenuation directly in the source volume where clustered earthquakes occur. The new event couple spectral ratio approach exploits high frequency spectral slopes of two events sharing the greater part of their rays. Synthetic tests based on the toolbox mentioned before show that this method is able to infer seismic wave attenuation within the source volume at high spatial resolution. Furthermore, it is independent from the distance towards a station as well as the complexity of the attenuation and velocity structure outside of the source volume of swarms. The application to recordings of the NW Bohemian earthquake swarm shows increased P phase attenuation within the source volume (Qp < 100) based on results at a station located close to the village Luby (LBC). The recordings of a station located in epicentral proximity, close to Nový Kostel (NKC), show a relatively high complexity indicating that waves arriving at that station experience more scattering than signals recorded at other stations. The high level of complexity destabilizes the inversion. Therefore, the Q estimate at NKC is not reliable and an independent proof of the high attenuation finding given the geometrical and frequency constraints is still to be done. However, a high attenuation in the source volume of NW Bohemian swarms has been postulated before in relation to an expected, highly damaged zone bearing CO 2 at high pressure. The methods developed in the course of this thesis yield the potential to improve our understanding regarding the role of fluids and gases in intraplate event clustering. N2 - Erdbebenschwärme zeichnen sich durch eine große Anzahl an Ereignissen in einem relativ kleinen Zeitraum und Volumen aus. Im Gegensatz zu tektonischen Sequenzen ist in der Regel keine signifikantes Muster von Vor- und Nachbeben erkennbar. In Abwesenheit aktiven Vulkanismusses, kommen Erdbebenschwärme innerhalb kontinentaler Platten häufg an kontinentalen Verwerfungen vor, wie Beispielsweise im Bereich des Egergrabens im nordböhmischen Becken (Tschechien). Eine übliche Hypothese verbindet den Erdbebenentstehungsprozess mit Hochdruckfluiden. Der exakte kausale Zusammenhang ist jedoch häufig enigmatisch, da die zugrundeliegenden geotektonischen Prozesse im Vergleich zu tektonischen Sequenzen relativ langsam sind. Die hohe Erdbebenrate während aktiver Phasen stellt hohe Anforderungen an etablierte seismologische Routinen da diese häufg für Einzelereignisse konzipiert sind. So können sie einen hohen Aufwand bei manueller Selektion seismischer Phasen (picking) bedeuten oder rechenerisch aufwändig sein wenn volle Wellenformen verarbeitet werden sollen. Im Rahmen dieser methodologischen Thesis werden neue Ansätze zur Analyse seismischer Schwärme, sowie des zugrundeliegenden seismogenen Volumens entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf der gut untersuchten und überwachten nordböhmischen Schwarmregion. Ich entwickle und teste in dieser Arbeit einen innovativen Ansatz zur Detektion und Lokalisation von Erdbeben basierend auf einem tiefen konvolvierenden neuronalen Netzwerk. Diese Technologie bietet großes Potential da sie es erlaubt große Datenmengen effizient zu verarbeiten was durch die zunehmenden Datenmengen seismologischer Datenzentren immer weiter an Bedeutung gewinnt. Das entwickelte tiefe neuronale Netzwerk, trainiert auf Aufnahmen nordböhmischer Erdbebenschwärme, ist in der Lage 1000 Eregnisse in weniger als 1 Sekunde bei Verwendung voller Wellenformen zu lokalisieren und erreicht eine Präzision die vergleichbar ist mit der Genauigkeit eines Katalogs, der mittels Doppelte Differenzen Methode relokalisiert wurde. Eine weitere technologische Neuheit ist, dass die trainierten Filter der ersten Schicht des tiefen neuronalen Netzwerkes als Mustererkennungsfilter umfunktioniert werden und damit als Ereignisdetektor dienen können, ohne, dass zuvor explizit auf Rauschdaten trainiert werden muss. Für die weitere technologische Entwicklung stelle ich ein neues, automatisiertes Werkzeug für die synthetisierung realistischer Erdbebenschwarmkataloge, sowie hierauf basierender synthetischer voller Wollenform vor. Die Eingabeparameter werden durch die Geometrie des Quellvolumens, der Nukleationscharakteristik und Magnitude-Häufigkeitsverteilung definiert. Weiter können Rauschsignale realer Daten verwendet werden um äußerst realistische synthetische Daten zu generieren. Dieses Werkzeug wird verwendet um die Vollständigkeitmagnitude eines Detektors für volle Wellenformen anhand synthetischer Daten zu evaluieren. Die synthetisierten Daten sind Motiviert durch ein Hydrofrackingexperiment in Wysin (Polen). Des Weiteren stelle ich einen neuen Ansatz vor, der die Effekte der Wellenausbreitung zwischen Erdbeben und Stationen ausblendet und die Bestimmung der Dämpfung unmittelbar im Quellvolumen von Schwarmerdbeben erlaubt. Diese neue Methode benutzt das hochfrequente spektrale Verhältnis von Ereignispaaren mit gemeinsamen Strahlenwegen. Synthetische Tests zeigen, dass die Methode in der Lage ist die Dämpfung innerhalb des Quellvolumens mit hoher räumlicher Genauigkeit zu bestimmen. Weiter ist sie im Einzelnen unabhängig von der Entfernung zwischen Ereignis und Station als auch von der Komplexität der Dämpfungs und Geschwindigkeitsstruktur außerhalb des Quellvolumens. Die Anwendung auf Daten des nordböhmischen Erdbebenschwarms zeigt eine erhöhte P Phasen Dämpfung im Quellvolumen (Qp < 100) basierend auf Daten einer Station in der Nähe des Dorfes Luby (LBC). Die Wellenformen einer Station in unmittelbarer epizentraler Nähe, bei Novy Kostel (NKC), weisen eine relativ hohe Komplexität auf, was darauf hindeutet, dass seismische Wellen, die diese Station erreichen relativ stark gestreut werden im Vergleich zu anderen Stationen. Das hohe Maß an Komplexität destabilisiert die Methode und führt zu ungenauen Schätzungen an der Station NKC. Daher bedarf es einer weiteren unabhängigen Validierung der hohen Dämpfung bei gegebenen geometrischen und spektralen Voraussetzungen. Nichtsdestoweniger wurde bereits eine hohe Dämpfung im Quellvolumen der nordböhmischen Schwärme postuliert und erwartet, insbesondere im Zusammenhang mit einer Zone hoher Brüchigkeit die CO2 bei hohen Drücken beinhaltet. Die Methoden die im Rahmen dieser Thesis entwickelt werden haben das Potential unser Verständnis bezüglich der Rolle von Fluiden und Gasen bei Erdbebenschärmen innerhalb kontinentaler Platten zu verbessern. KW - attenuation tomography KW - earthquake swarms KW - deep learning KW - Dämpfungstomographie KW - Erdbebenschwärme KW - tiefes Lernen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444040 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 - Metz, Malte T1 - A quasi-dynamic and self-consistent rupture model to simulate earthquake ruptures N2 - Dynamic earthquake rupture modeling provides information on the rupture physics as the rupture velocity, frictions or tractions acting during the rupture process. Nevertheless, as often based on spatial gridded preset geometries, dynamic modeling is depending on many free parameters leading to both a high non-uniqueness of the results and large computation times. That decreases the possibilities of full Bayesian error analysis. To assess the named problems we developed the quasi-dynamic rupture model which is presented in this work. It combines the kinematic Eikonal rupture model with a boundary element method for quasi-static slip calculation. The orientation of the modeled rupture plane is defined by a previously performed moment tensor inversion. The simultanously inverted scalar seismic moment allows an estimation of the extension of the rupture. The modeled rupture plane is discretized by a set of rectangular boundary elements. For each boundary element an applied traction vector is defined as the boundary value. For insights in the dynamic rupture behaviour the rupture front propagation is calculated for incremental time steps based on the 2D Eikonal equation. The needed location-dependent rupture velocity field is assumed to scale linearly with a layered shear wave velocity field. At each time all boundary elements enclosed within the rupture front are used to calculate the quasi-static slip distribution. Neither friction nor stress propagation are considered. Therefore the algorithm is assumed to be “quasi-static”. A series of the resulting quasi-static slip snapshots can be used as a quasi-dynamic model of the rupture process. As many a priori information is used from the earth model (shear wave velocity and elastic parameters) and the moment tensor inversion (rupture extension and orientation) our model is depending on few free parameters as the traction field, the linear factor between rupture and shear wave velocity and the nucleation point and time. Hence stable and fast modeling results are obtained as proven from the comparison to different infinite and finite static crack solutions. First dynamic applications show promissing results. The location-dependent rise time is automatically derived by the model. Different simple kinematic models as the slip-pulse or the penny-shaped crack model can be reproduced as well as their corresponding slip rate functions. A source time function (STF) approximation calculated from the cumulative sum of moment rates of each boundary element gives results similar to theoretical and empirical known STFs. The model was also applied to the 2015 Illapel earthquake. Using a simple rectangular rupture geometry and a 2-layered traction regime yields good estimates of both the rupture front propagation and the slip patterns which are comparable to literature results. The STF approximation shows a good fit with previously published STFs. The quasi-dynamic rupture model is hence able to fastly calculate reproducable slip results. That allows to test full Bayesian error analysis in the future. Further work on a full seismic source inversion or even a traction field inversion can also extend the scope of our model. N2 - Die dynamische Bruchmodellierung eines Erdbebens erlaubt Rückschlüsse auf Parameter der Bruchphysik, z. B. die Bruchgeschwindigkeit, die Reibung oder die Scherspannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die meisten dynamischen Ansätze basieren dabei auf einem vorab definierten räumlichen Gitter. Dies führt zu einer großen Anzahl freier Modellparameter. Dynamische Modellierungen sind darum oft rechenaufwändig und hochgradig mehrdeutig im Ergebnis. Dies erschwert eine gute bayesische Fehleranalyse. Die benannnten Probleme und Schwierigkeiten werden durch das in dieser Arbeit präsentierte quasi-dynamische Bruchmodell angegangen. Es basiert auf der Kombination des Eikonal-Bruchmodells mit einer eigens entwickelten Randelementmethode zur Bestimmung der quasi-statischen Verschiebung. Dabei wird die Orientierung der Bruchfläche vorab über eine Momententensorinversion bestimmt. Das ebenfalls invertierte skalare seismische Moment dient zur Abschätzung der Bruchgröße. Die so bestimmte Bruchfläche wird in rechteckige Randelemente unterteilt. Als Randwerte werden die auf jedem Randelement angreifenden Spannungsänderungen vorgegeben. Um das dynamische Bruchverhalten zu studieren, wird die Bruchfrontausbreitung für inkrementelle Zeitschritte auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung berechnet. Die Bruchgeschwindigkeit wird dabei als linear zur Scherwellengeschwindigkeit skalierendes Feld angenommen, basierend auf einem geschichteten 1D-Untergrundmodell. Die von der Bruchfront eingeschlossenen Randelemente werden für eine quasi-statische Verschiebungsinversion genutzt. Dabei werden weder Reibung noch Spannungsmigrierung berücksichtigt (deswegen “quasi-statisch”). Eine Serie aus mehreren Verschiebungsbestimmungen ergibt dabei das quasi-dynamisches Bruchmodell. Da viele a priori Informationen aus dem Erdmodell beziehungsweise der Momententensorinversion genutzt werden, gibt es nur wenige freie Modellparameter (Nukleationspunkt und -Zeit, Linearfaktor zwischen Scher- und Bruchgeschwindigkeit sowie das Spannungsänderungsfeld). Das ermöglicht stabile und schnelle Modellierungen. Dies belegen durchgeführte Vergleiche mit finiten und infiniten analytischen, statischen Bruchlösungen. Zudem wurden erste dynamische Anwendungen erprobt. Dabei ergibt sich die ortsabhängige Zeit der Slipänderung jedes Randelementes (“rise time”) automatisch aus der Modellierung. Selbst die Reproduktion verschiedener kinematischer Modelle wie dem “slip-pulse” oder dem “penny-shaped crack” Modell ist möglich. Die spezifischen Slipratenfunktionen werden dabei automatisch erzeugt. Zudem lässt sich eine so genannte äquivalente Herdzeitfunktion aus der Summe der Momentenänderungen aller Randelemente bestimmen. Diese ist vergleichbar mit verschiedenen theoretischen und empirischen Herdzeitfunktionen. Unser Modell wurde zudem auf das 2015 Illapel Erdbeben angewandt. Basierend auf einer einfachen, rechteckigen Bruchgeometrie und einem zweigeteilten geschichteten Spannungsänderungsfeldes konnten sowohl die Bruchfrontausbreitung als auch das Verschiebungsfeld mit bekannten Werten aus der Literatur in Übereinstimmung gebracht werden. Die Herdzeitapproximation zeigt dabei einen Verlauf, der vergleichbar zu bereits veröffentlichten Herdzeitfunktionen ist. Das quasi-dynamische Bruchmodell kann schnell reproduzierbare Verschiebungsfelder und deren zeitliche Veränderung bestimmen. Damit ermöglicht es bayesische Fehlerabschätzungen. Auch für komplette seismische Quellinversion sowie eine Integration der Spannungsänderungen auf der Bruchfläche kann das Modell in Zukunft genutzt werden. T2 - Ein quasi-dynamisches und selbst-ähnliches Bruchmodel zur Erdbebenbruchmodelierung KW - earthquake modeling KW - source inversion KW - boundary element method KW - Erdbebenquellinversion KW - Randelementmethode KW - Erdbebenmodelierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473100 ER -