Christoph Bach

• Several mechanisms are proposed to be part of the earthquake triggering process, including static stress interactions and dynamic stress transfer. Significant differences of these mechanisms are particularly expected in the spatial distribution of aftershocks. However, testing the different hypotheses is challenging because it requires the consideration of the large uncertainties involved in stress calculations as well as the appropriate consideration of secondary aftershock triggering which is related to stress changes induced by smaller pre- and aftershocks. In order to evaluate the forecast capability of different mechanisms, I take the effect of smaller--magnitude earthquakes into account by using the epidemic type aftershock sequence (ETAS) model where the spatial probability distribution of direct aftershocks, if available, is correlated to alternative source information and mechanisms. Surface shaking, rupture geometry, and slip distributions are tested. As an approximation of the shaking level, ShakeMaps are used which areSeveral mechanisms are proposed to be part of the earthquake triggering process, including static stress interactions and dynamic stress transfer. Significant differences of these mechanisms are particularly expected in the spatial distribution of aftershocks. However, testing the different hypotheses is challenging because it requires the consideration of the large uncertainties involved in stress calculations as well as the appropriate consideration of secondary aftershock triggering which is related to stress changes induced by smaller pre- and aftershocks. In order to evaluate the forecast capability of different mechanisms, I take the effect of smaller--magnitude earthquakes into account by using the epidemic type aftershock sequence (ETAS) model where the spatial probability distribution of direct aftershocks, if available, is correlated to alternative source information and mechanisms. Surface shaking, rupture geometry, and slip distributions are tested. As an approximation of the shaking level, ShakeMaps are used which are available in near real-time after a mainshock and thus could be used for first-order forecasts of the spatial aftershock distribution. Alternatively, the use of empirical decay laws related to minimum fault distance is tested and Coulomb stress change calculations based on published and random slip models. For comparison, the likelihood values of the different model combinations are analyzed in the case of several well-known aftershock sequences (1992 Landers, 1999 Hector Mine, 2004 Parkfield). The tests show that the fault geometry is the most valuable information for improving aftershock forecasts. Furthermore, they reveal that static stress maps can additionally improve the forecasts of off--fault aftershock locations, while the integration of ground shaking data could not upgrade the results significantly. In the second part of this work, I focused on a procedure to test the information content of inverted slip models. This allows to quantify the information gain if this kind of data is included in aftershock forecasts. For this purpose, the ETAS model based on static stress changes, which is introduced in part one, is applied. The forecast ability of the models is systematically tested for several earthquake sequences and compared to models using random slip distributions. The influence of subfault resolution and segment strike and dip is tested. Some of the tested slip models perform very good, in that cases almost no random slip models are found to perform better. Contrastingly, for some of the published slip models, almost all random slip models perform better than the published slip model. Choosing a different subfault resolution hardly influences the result, as long the general slip pattern is still reproducible. Whereas different strike and dip values strongly influence the results depending on the standard deviation chosen, which is applied in the process of randomly selecting the strike and dip values.…
• Verschiedene Mechanismen werden für das Triggern von Erdbeben verantwortlich gemacht, darunter statische Spannungsänderungen und dynamischer Spannungstransfer. Deutliche Unterschiede zwischen diesen Mechanismen werden insbesondere in der räumlichen Nachbebenverteilung erwartet. Es ist allerdings schwierig diese Hypothesen zu überprüfen, da die großen Unsicherheiten der Spannungsberechnungen berücksichtigt werden müssen, ebenso wie das durch lokale sekundäre Spannungsänderungen hervorgerufene initiieren von sekundären Nachbeben. Um die Vorhersagekraft verschiedener Mechanismen zu beurteilen habe ich die Effekte von Erdbeben kleiner Magnitude durch Benutzen des "epidemic type aftershock sequence" (ETAS) Modells berücksichtigt. Dabei habe ich die Verteilung direkter Nachbeben, wenn verfügbar, mit alternativen Herdinformationen korreliert. Bodenbewegung, Bruchgeometrie und Slipmodelle werden getestet. Als Aproximation der Bodenbewegung werden ShakeMaps benutzt. Diese sind nach großen Erdbeben nahezu in Echtzeit verfügbar und können daherVerschiedene Mechanismen werden für das Triggern von Erdbeben verantwortlich gemacht, darunter statische Spannungsänderungen und dynamischer Spannungstransfer. Deutliche Unterschiede zwischen diesen Mechanismen werden insbesondere in der räumlichen Nachbebenverteilung erwartet. Es ist allerdings schwierig diese Hypothesen zu überprüfen, da die großen Unsicherheiten der Spannungsberechnungen berücksichtigt werden müssen, ebenso wie das durch lokale sekundäre Spannungsänderungen hervorgerufene initiieren von sekundären Nachbeben. Um die Vorhersagekraft verschiedener Mechanismen zu beurteilen habe ich die Effekte von Erdbeben kleiner Magnitude durch Benutzen des "epidemic type aftershock sequence" (ETAS) Modells berücksichtigt. Dabei habe ich die Verteilung direkter Nachbeben, wenn verfügbar, mit alternativen Herdinformationen korreliert. Bodenbewegung, Bruchgeometrie und Slipmodelle werden getestet. Als Aproximation der Bodenbewegung werden ShakeMaps benutzt. Diese sind nach großen Erdbeben nahezu in Echtzeit verfügbar und können daher für vorläufige Vorhersagen der räumlichen Nachbebenverteilung benutzt werden. Alternativ können empirische Beziehungen als Funktion der minimalen Distanz zur Herdfläche benutzt werden oder Coulomb Spannungsänderungen basierend auf publizierten oder zufälligen Slipmodellen. Zum Vergleich werden die Likelihood Werte der Hybridmodelle im Falle mehrerer bekannter Nachbebensequenzen analysiert (1992 Landers, 1999 Hector Mine, 2004 Parkfield). Die Tests zeigen, dass die Herdgeometrie die wichtigste Zusatzinformation zur Verbesserung der Nachbebenvorhersage ist. Des Weiteren können statische Spannungsänderungen besonders die Vorhersage von Nachbeben in größerer Entfernung zur Bruchfläche verbessern, wohingegen die Einbeziehung von Bodenbewegungskarten die Ergebnisse nicht wesentlich verbessern konnte. Im zweiten Teil meiner Arbeit führe ich ein neues Verfahren zur Untersuchung des Informationsgehaltes von invertierten Slipmodellen ein. Dies ermöglicht die Quantifizierung des Informationsgewinns, der durch Einbeziehung dieser Daten in Nachbebenvorhersagen entsteht. Hierbei wird das im ersten Teil eingeführte erweiterte ETAS Modell benutzt, welches statische Spannungsänderung zur Vorhersage der räumlichen Nachbebenverteilung benutzt. Die Vorhersagekraft der Modelle wird systematisch anhand mehrerer Erdbebensequenzen untersucht und mit Modellen basierend auf zufälligen Slipverteilungen verglichen. Der Einfluss der Veränderung der Auflösung der Slipmodelle, sowie Streich- und Fallwinkel der Herdsegmente wird untersucht. Einige der betrachteten Slipmodelle korrelieren sehr gut, in diesen Fällen werden kaum zufällige Slipmodelle gefunden, welche die Nachbebenverteilung besser erklären. Dahingegen korrelieren bei einigen Beispielen nahezu alle zufälligen Slipmodelle besser als das publizierte Modell. Das Verändern der Auflösung der Bewegungsmodelle hat kaum Einfluss auf die Ergebnisse, solange die allgemeinen Slipmuster noch reproduzierbar sind, d.h. ein bis zwei größere Slipmaxima pro Segment. Dahingegen beeinflusst eine zufallsbasierte Änderung der Streich- und Fallwinkel der Segmente die Resultate stark, je nachdem welche Standardabweichung gewählt wurde.…