Dirk Rößler

• Earthquakes form by sudden brittle failure of rock mostly as shear ruptures along a rupture plane. Beside this, mechanisms other than pure shearing have been observed for some earthquakes mainly in volcanic areas. Possible explanations include complex rupture geometries and tensile earthquakes. Tensile earthquakes occur by opening or closure of cracks during rupturing. They are likely to be often connected with fluids that cause pressure changes in the pore space of rocks leading to earthquake triggering. Tensile components have been reported for swarm earthquakes in West Bohemia in 2000. The aim and subject of this work is an assessment and the accurate determination of such tensile components for earthquakes in anisotropic media. Currently used standard techniques for the retrieval of earthquake source mechanisms assume isotropic rock properties. By means of moment tensors, equivalent forces acting at the source are used to explain the radiated wavefield. Conversely, seismic anisotropy, i.e. directional dependence of elasticEarthquakes form by sudden brittle failure of rock mostly as shear ruptures along a rupture plane. Beside this, mechanisms other than pure shearing have been observed for some earthquakes mainly in volcanic areas. Possible explanations include complex rupture geometries and tensile earthquakes. Tensile earthquakes occur by opening or closure of cracks during rupturing. They are likely to be often connected with fluids that cause pressure changes in the pore space of rocks leading to earthquake triggering. Tensile components have been reported for swarm earthquakes in West Bohemia in 2000. The aim and subject of this work is an assessment and the accurate determination of such tensile components for earthquakes in anisotropic media. Currently used standard techniques for the retrieval of earthquake source mechanisms assume isotropic rock properties. By means of moment tensors, equivalent forces acting at the source are used to explain the radiated wavefield. Conversely, seismic anisotropy, i.e. directional dependence of elastic properties, has been observed in the earth's crust and mantle such as in West Bohemia. In comparison to isotropy, anisotropy causes modifications in wave amplitudes and shear-wave splitting. In this work, effects of seismic anisotropy on true or apparent tensile source components of earthquakes are investigated. In addition, earthquake source parameters are determined considering anisotropy. It is shown that moment tensors and radiation patterns due to shear sources in anisotropic media may be similar to those of tensile sources in isotropic media. In contrast, similarities between tensile earthquakes in anisotropic rocks and shear sources in isotropic media may exist. As a consequence, the interpretation of tensile source components is ambiguous. The effects that are due to anisotropy depend on the orientation of the earthquake source and the degree of anisotropy. The moment of an earthquake is also influenced by anisotropy. The orientation of fault planes can be reliably determined even if isotropy instead of anisotropy is assumed and if the spectra of the compressional waves are used. Greater difficulties may arise when the spectra of split shear waves are additionally included. Retrieved moment tensors show systematic artefacts. Observed tensile source components determined for events in West Bohemia in 1997 can only partly be attributed to the effects of moderate anisotropy. Furthermore, moment tensors determined earlier for earthquakes induced at the German Continental Deep Drilling Program (KTB), Bavaria, were reinterpreted under assumptions of anisotropic rock properties near the borehole. The events can be consistently identified as shear sources, although their moment tensors comprise tensile components that are considered to be apparent. These results emphasise the necessity to consider anisotropy to uniquely determine tensile source parameters. Therefore, a new inversion algorithm has been developed, tested, and successfully applied to 112 earthquakes that occurred during the most recent intense swarm episode in West Bohemia in 2000 at the German-Czech border. Their source mechanisms have been retrieved using isotropic and anisotropic velocity models. Determined local magnitudes are in the range between 1.6 and 3.2. Fault-plane solutions are similar to each other and characterised by left-lateral faulting on steeply dipping, roughly North-South oriented rupture planes. Their dip angles decrease above a depth of about 8.4km. Tensile source components indicating positive volume changes are found for more than 60% of the considered earthquakes. Their size depends on source time and location. They are significant at the beginning of the swarm and at depths below 8.4km but they decrease in importance later in the course of the swarm. Determined principle stress axes include P axes striking Northeast and Taxes striking Southeast. They resemble those found earlier in Central Europe. However, depth-dependence in plunge is observed. Plunge angles of the P axes decrease gradually from 50° towards shallow angles with increasing depth. In contrast, the plunge angles of the T axes change rapidly from about 8° above a depth of 8.4km to 21° below this depth. By this thesis, spatial and temporal variations in tensile source components and stress conditions have been reported for the first time for swarm earthquakes in West Bohemia in 2000. They also persist, when anisotropy is assumed and can be explained by intrusion of fluids into the opened cracks during tensile faulting.…
• Erdbeben entstehen durch plötzlichen Sprödbruch des Gesteins, meist als Scherbruch entlang einer Bruchfläche. Daneben werden für einige Beben v.a. in vulkanischen Gebieten auch Mechanismen beobachtet, die scheinbar vom Modell des Scherbruches abweichen. Ursachen dafür beinhalten komplexe Bruchgeometrien und tensile Erdbeben. Bei tensilen Erdbeben kommt es während des Bruchs zum Öffnen oder Schließen der Bruchfläche und damit zu Volumenänderungen. Erdbeben mit tensilen Anteilen stehen wahrscheinlich oft im Zusammenhang mit Fluiden, welche zur Durckänderung im Porenraum von Gesteinen und damit zum Auslösen des Bebens führen. Sie wurden auch im Vogtland während eines Erdbebenschwarms im Jahr 1997 beobachtet. Die Beurteilung und sichere Bestimmung tensiler Anteile von Erdbeben sind Ziel und Gegenstand dieser Arbeit. Bei Standardverfahren zur Bestimmung von Erdbebenmechanismen werden isotrope Gesteinseigenschaften angenommen. Momententensoren beschreiben dabei Kräfte, die das abgestrahlte Wellenfeld erklären. Allerdings wird seismischeErdbeben entstehen durch plötzlichen Sprödbruch des Gesteins, meist als Scherbruch entlang einer Bruchfläche. Daneben werden für einige Beben v.a. in vulkanischen Gebieten auch Mechanismen beobachtet, die scheinbar vom Modell des Scherbruches abweichen. Ursachen dafür beinhalten komplexe Bruchgeometrien und tensile Erdbeben. Bei tensilen Erdbeben kommt es während des Bruchs zum Öffnen oder Schließen der Bruchfläche und damit zu Volumenänderungen. Erdbeben mit tensilen Anteilen stehen wahrscheinlich oft im Zusammenhang mit Fluiden, welche zur Durckänderung im Porenraum von Gesteinen und damit zum Auslösen des Bebens führen. Sie wurden auch im Vogtland während eines Erdbebenschwarms im Jahr 1997 beobachtet. Die Beurteilung und sichere Bestimmung tensiler Anteile von Erdbeben sind Ziel und Gegenstand dieser Arbeit. Bei Standardverfahren zur Bestimmung von Erdbebenmechanismen werden isotrope Gesteinseigenschaften angenommen. Momententensoren beschreiben dabei Kräfte, die das abgestrahlte Wellenfeld erklären. Allerdings wird seismische Anisotropie, d.h. Richtungsabhängigkeit elastischer Eigenschaften, in der Erdkruste und im Mantel wie z.B. im Vogtland beobachtet. Anisotropie bewirkt im Vergleich zu isotropen Medien Veränderungen der Wellenamplituden und -polariserungen sowie das Aufspalten von Scherwellen. In der vorliegenden Arbeit werden daher der Einfluss seismischer Anisotropie auf wahre oder scheinbar auftretende tensile Quellanteile untersucht und Erdbebenmechanismen unter Berücksichtigung seismischer Anisotropie bestimmt. Es wird gezeigt, dass Momententensoren und Abstrahlmuster von Scherbrüchen in anisotropen Medien denen von tensilen Brüchen in isotropen Medien ähneln können. Umgekehrt treten Ähnlichkeiten tensiler Beben in anisotropen Gesteinen mit Scherbrüchen in isotropen Medien auf. Damit existieren Mehrdeutigkeiten beobachteter tensiler Quellanteile. Die Effekte von Anisotropie hängen von der Orientierung des Bruches und vom Grad der Anisotropie ab. Außerdem beeinflusst Anisotropie das Moment eines Bebens. Herdflächenorientierungen können auch dann verlässlich bestimmt werden, wenn man Isotropie statt Anisotropie annimmt und die Spektren von Kompressionswellen verwendet. Bei Hinzunahme der Spektren von Scherwellen können Uneindeutigkeiten auftreten. Abgeleitete Momententensoren zeigen systematische Artefakte. Beobachtungen tensiler Quellanteile von Beben im Vogtland im Jahr 1997 können nicht allein durch moderate Anisotropie erklärt werden. Weiterhin wurden früher bestimmte Momententensoren induzierter Beben nahe der Kontinentalen Tiefbohrung, Bayern, unter Annahme anisotroper Parameter reinterpretiert. Die Beben werden einheitlich als Scherbrüche charakterisiert, obwohl deren Momententensoren tensile Bestandteile enthalten, die als scheinbar angesehen werden. Die Resultate unterstreichen die Notwendigkeit, seismische Anisotropie zu berücksichtigen, um tensile Komponenten von Erdbeben eindeutig zu bestimmen. Ein daher neu entwickelter Inversionsalgorithmus wurde getestet und erfolgreich auf 112 Erdbeben der letzten intensiven Schwarmepisode im Jahr 2000 im Vogtland an der deutsch-tschechischen Grenze angewandt. Die Herdparameter wurden unter Verwendung isotroper und anisotroper Geschwindigkeitsmodelle ermittelt. Die Beben zeigen Lokalmagnituden zwischen 1,6 und 3,2. Sie weisen zueinander ähnliche Herdflächenlösungen mit linkslateralem Versatz auf steil einfallenden, etwa Nord-Süd orientierten Bruchflächen auf. Die Fallwinkel nehmen oberhalb 8,4km Tiefe ab. Für über 60% der betrachteten Erdbeben werden tensile Quellanteile mit Volumenvergrößerung beobachtet. Die tensilen Komponenten zeigen Abhängigkeiten von Herdzeit und -ort. Sie sind zu Beginn des Schwarms sowie in Tiefen unterhalb 8,4km besonders signifikant und nehmen später an Bedeutung ab. Abgeleitete Hauptspannungsachsen enthalten P Achsen mit nordwestlicher und T Achsen mit südwestlicher Streichrichtung. Sie ähneln denen in Mitteleuropa. Es werden tiefenabhängige Fallwinkel beobachtet. Die Änderungen erfolgen für die P Achsen graduell von 50° hin zu flacheren Fallwinkeln bei tieferen Beben. Sie erfolgen jedoch abrupt für die T Achsen von etwa 8° oberhalb einer Tiefe von etwa 8,4km zu 21° einfallend unterhalb dessen. Mit dieser Arbeit werden erstmals zeitliche und räumliche Veränderungen tensiler Quellanteile und Spannungszustände im Vogtland für Erdbeben im Jahr 2000 beobachtet. Diese haben auch dann Bestand, wenn seismische Anisotropie berücksichtigt wird. Sie können durch Fluide erklärt werden, die in die Bruchflächen eindringen.…