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Analysis and modeling of transient earthquake patterns and their dependence on local stress regimes

Analyse und Modellierung der transienten Erdbebenmuster und deren Abhängigkeit von lokalen Spannungsregimen

  • Investigations in the field of earthquake triggering and associated interactions, which includes aftershock triggering as well as induced seismicity, is important for seismic hazard assessment due to earthquakes destructive power. One of the approaches to study earthquake triggering and their interactions is the use of statistical earthquake models, which are based on knowledge of the basic seismicity properties, in particular, the magnitude distribution and spatiotemporal properties of the triggered events. In my PhD thesis I focus on some specific aspects of aftershock properties, namely, the relative seismic moment release of the aftershocks with respect to the mainshocks; the spatial correlation between aftershock occurrence and fault deformation; and on the influence of aseismic transients on the aftershock parameter estimation. For the analysis of aftershock sequences I choose a statistical approach, in particular, the well known Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) model, which accounts for the input of background andInvestigations in the field of earthquake triggering and associated interactions, which includes aftershock triggering as well as induced seismicity, is important for seismic hazard assessment due to earthquakes destructive power. One of the approaches to study earthquake triggering and their interactions is the use of statistical earthquake models, which are based on knowledge of the basic seismicity properties, in particular, the magnitude distribution and spatiotemporal properties of the triggered events. In my PhD thesis I focus on some specific aspects of aftershock properties, namely, the relative seismic moment release of the aftershocks with respect to the mainshocks; the spatial correlation between aftershock occurrence and fault deformation; and on the influence of aseismic transients on the aftershock parameter estimation. For the analysis of aftershock sequences I choose a statistical approach, in particular, the well known Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) model, which accounts for the input of background and triggered seismicity. For my specific purposes, I develop two ETAS model modifications in collaboration with Sebastian Hainzl. By means of this approach, I estimate the statistical aftershock parameters and performed simulations of aftershock sequences as well. In the case of seismic moment release of aftershocks, I focus on the ratio of cumulative seismic moment release with respect to the mainshocks. Specifically, I investigate the ratio with respect to the focal mechanism of the mainshock and estimate an effective magnitude, which represents the cumulative aftershock energy (similar to Bath's law, which defines the average difference between mainshock and the largest aftershock magnitudes). Furthermore, I compare the observed seismic moment ratios with the results of the ETAS simulations. In particular, I test a restricted ETAS (RETAS) model which is based on results of a clock advanced model and static stress triggering. To analyze spatial variations of triggering parameters I focus in my second approach on the aftershock occurrence triggered by large mainshocks and the study of the aftershock parameter distribution and their spatial correlation with the coseismic/postseismic slip and interseismic locking. To invert the aftershock parameters I improve the modified ETAS (m-ETAS) model, which is able to take the extension of the mainshock rupture into account. I compare the results obtained by the classical approach with the output of the m-ETAS model. My third approach is concerned with the temporal clustering of seismicity, which might not only be related to earthquake-earthquake interactions, but also to a time-dependent background rate, potentially biasing the parameter estimations. Thus, my coauthors and I also applied a modification of the ETAS model, which is able to take into account time-dependent background activity. It can be applicable for two different cases: when an aftershock catalog has a temporal incompleteness or when the background seismicity rate changes with time, due to presence of aseismic forces. An essential part of any research is the testing of the developed models using observational data sets, which are appropriate for the particular study case. Therefore, in the case of seismic moment release I use the global seismicity catalog. For the spatial distribution of triggering parameters I exploit two aftershock sequences of the Mw8.8 2010 Maule (Chile) and Mw 9.0 2011 Tohoku (Japan) mainshocks. In addition, I use published geodetic slip models of different authors. To test our ability to detect aseismic transients my coauthors and I use the data sets from Western Bohemia (Central Europe) and California. Our results indicate that: (1) the seismic moment of aftershocks with respect to mainshocks depends on the static stress changes and is maximal for the normal, intermediate for thrust and minimal for strike-slip stress regimes, where the RETAS model shows a good correspondence with the results; (2) The spatial distribution of aftershock parameters, obtained by the m-ETAS model, shows anomalous values in areas of reactivated crustal fault systems. In addition, the aftershock density is found to be correlated with coseismic slip gradient, afterslip, interseismic coupling and b-values. Aftershock seismic moment is positively correlated with the areas of maximum coseismic slip and interseismically locked areas. These correlations might be related to the stress level or to material properties variations in space; (3) Ignoring aseismic transient forcing or temporal catalog incompleteness can lead to the significant under- or overestimation of the underlying trigger parameters. In the case when a catalog is complete, this method helps to identify aseismic sources.show moreshow less
  • Untersuchungen im Bereich der Erdbebennukleation, sowie der Erdbebeninteraktion und induzierter Seismizität, sind wegen des enormen Zerstörungspotenzials von Erdbeben besonders wichtig für seismische Gefährdungsanalysen. In meiner Doktorarbeit fokussiere ich mich auf einige Eigenschaften von Nachbeben, insbesondere auf deren freigesetztes seismisches Moment in Relation zum Hauptbeben, die räumliche Korrelation zwischen der Nachbebenaktivität und der Deformationsgeschichte der Verwerfung und den Einfluss von aseismischen Transienten auf die Bestimmung von Nachbebenparametern. Ich habe einen statistischen Ansatz für die Analyse der Nachbebensequenzen gewählt. Das sogenannte Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) Modell berücksichtigt sowohl Hintergrundseismizität als auch getriggerte Erdbebenaktivität. Für meine Zwecke habe ich zusammen mit Sebastian Hainzl zwei Modifikationen für dieses ETAS Modell entwickelt. Mittels dieser Ansätze habe ich die statistischen Parameter der Nachbebenaktivität bestimmt und Simulationen vonUntersuchungen im Bereich der Erdbebennukleation, sowie der Erdbebeninteraktion und induzierter Seismizität, sind wegen des enormen Zerstörungspotenzials von Erdbeben besonders wichtig für seismische Gefährdungsanalysen. In meiner Doktorarbeit fokussiere ich mich auf einige Eigenschaften von Nachbeben, insbesondere auf deren freigesetztes seismisches Moment in Relation zum Hauptbeben, die räumliche Korrelation zwischen der Nachbebenaktivität und der Deformationsgeschichte der Verwerfung und den Einfluss von aseismischen Transienten auf die Bestimmung von Nachbebenparametern. Ich habe einen statistischen Ansatz für die Analyse der Nachbebensequenzen gewählt. Das sogenannte Epidemic Type Aftershock Sequence (ETAS) Modell berücksichtigt sowohl Hintergrundseismizität als auch getriggerte Erdbebenaktivität. Für meine Zwecke habe ich zusammen mit Sebastian Hainzl zwei Modifikationen für dieses ETAS Modell entwickelt. Mittels dieser Ansätze habe ich die statistischen Parameter der Nachbebenaktivität bestimmt und Simulationen von Nachbebensequenzen durchgeführt. Im Falle des freigesetzten seismischen Moments von Nachbeben habe ich das Verhältnis des kummulativen Moments der Nachbeben in Bezug zum Hauptbeben untersucht. Im Speziellen betrachte ich das Verhältnis in Bezug auf den Herdmechanismus des Hauptbebens und bestimme eine effektive Magnitude, welche die kummulative Nachbebenenergie darstellt (ähnlich zu Bath's Gesetz, welches den durchschnittlichen Unterschied zwischen der Hauptbebenmagnitude und der Magnitude des größten Nachbebens beschreibt). Desweiteren vergleiche ich das Verhältnis des beobachteten seismischen Moments mit den Ergebnissen von ETAS-basierten Simulationen. Dabei teste ich ein Restricted ETAS (RETAS) Modell, welches auf den Resultaten eines Clock-Advance Modells und den durch das Hauptbeben ausgelösten statischen Spannungsänderungen basiert. Um die räumliche Variation der Trigger-Parameter zu analysieren, fokussiere ich mich in meinem zweiten Modellansatz auf das Auftreten von Nachbeben infolge von großen Hauptbeben, sowie die Verteilung von Nachbebenparametern und deren räumliche Korrelation mit ko-/post-seismischen Verschiebungen und inter-seismischer Verhakung. Zum Bestimmen der Nachbebenparameter habe ich ein modifiziertes ETAS (m-ETAS) Modell analysiert, welches die räumliche Ausdehnung des Hauptbebenbruches berücksichtigen kann. Ich vergleiche die Ergebnisse des klassischen Ansatzes mit denen des m-ETAS Modells. Mein dritter Versuch beschäftigt sich mit dem zeitlichen Clustern der Seismizität, welche nicht nur auf Erdbeben-Erdbeben-Interaktion zurückzuführen ist, sondern auch auf eine zeitabhängige Hintergrundrate, die die Parameterabschätzung verfälschen kann. Meine Koautoren und ich haben dem ETAS Modell darum eine weitere Modifikation hinzugefügt, welche in der Lage ist, eine zeitabhängige Hintergrundaktivität einzubeziehen. Dieses Modell kann auf zwei Fälle angewendet werden, einerseits wenn ein Erdbebenkatalog zeitlich unvollständig ist und andererzeits wenn sich die Hintergrundseismizität, durch Vorhandensein aseismischer Kräfte, zeitlich verändert. Ein wichtiger Teil dieser Forschung ist es die entwickelten Modelle anhand von beobachteten Daten zu testen. Darum benutze ich im Falle des freigesetzten seismischen Moments einen globalen Erdbebenkatalog. Zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Trigger-Parametern untersuche ich zwei Nachbebensequenzen, die des 2010er Maule (Chile) Mw8.8 Erdbebens und die des 2011er Tohoku (Japan) Mw9.0 Erdbebens. Zusätzlich benutze ich publizierte geodätische Verschiebungsmodelle verschiedener Autoren. Um die Detektionsfähigkeit für aseismische Transienten zu testen, benutzen meine Koautoren und ich Daten aus West-Böhmen (Zentraleuropa) und Kalifornien. Unsere Ergebnisse zeigen: (1) Das Verhältnis des kumulativen seismischen Moments der Nachbeben zum Hauptbeben ist von den statischen Spannungsänderung abhängig und ist maximal in Spannungsregimen dominiert von Abschiebungen, mittel für Überschiebungen und minimal für Blattverschiebungen, wobei das RETAS Modell eine gute Korrelation mit unseren Ergebnissen zeigt. (2) Die mit dem m-ETAS Modell erhaltene räumliche Verteilung von Nachbebenparametern zeigt ungewöhnliche Werte in Gebieten reaktivierter krustaler Verwerfungssysteme. Zusätzlich fanden wir heraus, dass die Nachbebendichte mit dem ko-seismischen Verschiebungsgradienten, Nachkriechen, inter-seismischer Kopplung und b-Werten korreliert. Das seismische Moment untersuchter Nachbeben ist positiv korreliert mit Bereichen maximaler koseismischer Verschiebungen und interseismisch blockierten Bereichen. Diese Korrelation könnte dem Spannungsniveau oder räumlicher Variation der Materialeigenschaften geschuldet sein. (3) Wenn man aseismische transiente Kräfte oder zeitliche Katalogunvollständigkeit ignoriert, kann das zu signifikantem Unter- oder Überschätzen der zugrunde liegenden Seismizitäts-Parametern führen. Im Fall eines kompletten Katalogs kann diese Methode helfen, aseismische Quellen zu identifizieren.show moreshow less

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Metadaten
Author:Olga Zakharova
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-86455
Advisor:Sebastian Hainzl
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2016/01/21
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/12/07
Release Date:2016/01/21
Tag:Abschätzung der Unsicherheiten; ETAS Modell; Nachbeben; statistische Seismologie; transiente Erdbebenmuster
ETAS model; aftershocks; statistical seismology; transient earthquake patterns; uncertainty estimation
Pagenumber:XVI, 94
RVK - Regensburg Classification:UT 1800
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05]
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