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Real-time GNSS for fast seismic source inversion and tsunami early warning

Echtzeit-GNSS für schnelle seismischen Quelle Inversion und Tsunami-Frühwarnsystem

  • Over the past decades, rapid and constant advances have motivated GNSS technology to approach the ability to monitor transient ground motions with mm to cm accuracy in real-time. As a result, the potential of using real-time GNSS for natural hazards prediction and early warning has been exploited intensively in recent years, e.g., landslides and volcanic eruptions monitoring. Of particular note, compared with traditional seismic instruments, GNSS does not saturate or tilt in terms of co-seismic displacement retrieving, which makes it especially valuable for earthquake and earthquake induced tsunami early warning. In this thesis, we focus on the application of real-time GNSS to fast seismic source inversion and tsunami early warning. Firstly, we present a new approach to get precise co-seismic displacements using cost effective single-frequency receivers. As is well known, with regard to high precision positioning, the main obstacle for single-frequency GPS receiver is ionospheric delay. Considering that over a few minutes, theOver the past decades, rapid and constant advances have motivated GNSS technology to approach the ability to monitor transient ground motions with mm to cm accuracy in real-time. As a result, the potential of using real-time GNSS for natural hazards prediction and early warning has been exploited intensively in recent years, e.g., landslides and volcanic eruptions monitoring. Of particular note, compared with traditional seismic instruments, GNSS does not saturate or tilt in terms of co-seismic displacement retrieving, which makes it especially valuable for earthquake and earthquake induced tsunami early warning. In this thesis, we focus on the application of real-time GNSS to fast seismic source inversion and tsunami early warning. Firstly, we present a new approach to get precise co-seismic displacements using cost effective single-frequency receivers. As is well known, with regard to high precision positioning, the main obstacle for single-frequency GPS receiver is ionospheric delay. Considering that over a few minutes, the change of ionospheric delay is almost linear, we constructed a linear model for each satellite to predict ionospheric delay. The effectiveness of this method has been validated by an out-door experiment and 2011 Tohoku event, which confirms feasibility of using dense GPS networks for geo-hazard early warning at an affordable cost. Secondly, we extended temporal point positioning from GPS-only to GPS/GLONASS and assessed the potential benefits of multi-GNSS for co-seismic displacement determination. Out-door experiments reveal that when observations are conducted in an adversary environment, adding a couple of GLONASS satellites could provide more reliable results. The case study of 2015 Illapel Mw 8.3 earthquake shows that the biases between co-seismic displacements derived from GPS-only and GPS/GLONASS vary from station to station, and could be up to 2 cm in horizontal direction and almost 3 cm in vertical direction. Furthermore, slips inverted from GPS/GLONASS co-seismic displacements using a layered crust structure on a curved plane are shallower and larger for the Illapel event. Thirdly, we tested different inversion tools and discussed the uncertainties of using real-time GNSS for tsunami early warning. To be exact, centroid moment tensor inversion, uniform slip inversion using a single Okada fault and distributed slip inversion in layered crust on a curved plane were conducted using co-seismic displacements recorded during 2014 Pisagua earthquake. While the inversion results give similar magnitude and the rupture center, there are significant differences in depth, strike, dip and rake angles, which lead to different tsunami propagation scenarios. Even though, resulting tsunami forecasting along the Chilean coast is close to each other for all three models. Finally, based on the fact that the positioning performance of BDS is now equivalent to GPS in Asia-Pacific area and Manila subduction zone has been identified as a zone of potential tsunami hazard, we suggested a conceptual BDS/GPS network for tsunami early warning in South China Sea. Numerical simulations with two earthquakes (Mw 8.0 and Mw 7.5) and induced tsunamis demonstrate the viability of this network. In addition, the advantage of BDS/GPS over a single GNSS system by source inversion grows with decreasing earthquake magnitudes.show moreshow less
  • In den letzten Jahrzehnten haben schnelle und ständige Fortschritte die GNSS Technologie motiviert, die Fähigkeit zu erreichen, vorübergehende Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von mm bis cm in Echtzeit zu überwachen. Als Ergebnis wurde das Potential der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Vorhersage von Naturgefährdungen und Frühwarnungen in den letzten Jahren intensiv ausgenutzt, zum Beispiel beim Beobachten von Hangrutschungen und vulkanischen Eruptionen. Besonders im Vergleich mit traditionellen seismischen Instrumenten tritt bei GNSS bei seismischen Verschiebungen keine Sättigung oder Neigung auf, was es für Erdbeben und durch Erdbeben induzierte Tsunamis besonders wertvoll macht. In dieser Arbeit richtet sich der Fokus auf die Anwendung von Echtzeit GNSS auf schnelle seismische Quelleninversion und Tsunami Frühwarnung. Zuerst präsentieren wir einen neuen Ansatz, um präzise seismische Verschiebungen durch kosteneffiziente Einzelfrequenz-Empfänger zu erhalten. Wie in Bezug auf Hochpräzisions-Positionierung bekannt ist, ist dasIn den letzten Jahrzehnten haben schnelle und ständige Fortschritte die GNSS Technologie motiviert, die Fähigkeit zu erreichen, vorübergehende Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von mm bis cm in Echtzeit zu überwachen. Als Ergebnis wurde das Potential der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Vorhersage von Naturgefährdungen und Frühwarnungen in den letzten Jahren intensiv ausgenutzt, zum Beispiel beim Beobachten von Hangrutschungen und vulkanischen Eruptionen. Besonders im Vergleich mit traditionellen seismischen Instrumenten tritt bei GNSS bei seismischen Verschiebungen keine Sättigung oder Neigung auf, was es für Erdbeben und durch Erdbeben induzierte Tsunamis besonders wertvoll macht. In dieser Arbeit richtet sich der Fokus auf die Anwendung von Echtzeit GNSS auf schnelle seismische Quelleninversion und Tsunami Frühwarnung. Zuerst präsentieren wir einen neuen Ansatz, um präzise seismische Verschiebungen durch kosteneffiziente Einzelfrequenz-Empfänger zu erhalten. Wie in Bezug auf Hochpräzisions-Positionierung bekannt ist, ist das hauptsächliche Hindernis für Einzelfrequenz-GPS die Verzögerung durch die Ionosphäre. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Änderung in der ionosphärischen Verzögerung über mehrere Minuten hinweg linear ist, haben wir ein lineares Modell für jeden Satelliten konstruiert, um die ionosphärische Verzögerung vorherzusagen. Die Effizienz dieser Methode wurde bei einem Freiluft-Experiment und bei dem Tohoku Ereignis 2011 validiert, was die Verwendbarkeit eines dichten GPS Netzwerks für Frühwarnung vor Geo-Gefahren bei vertretbaren Kosten bestätigt. Als Zweites haben wir die zeitliche Punkt-Positionierung von GPS-only zu GPS/GLONASS erweitert und den potentiellen Nutzen von Multi-GPNSS für die Bestimmung seismischer Verschiebungen bewertet. Freiluft-Experimente zeigen, dass zusätzliche GLONASS Satelliten in feindlicher Umgebung verlässlichere Ergebnisse liefern könnten. Die Fallstudie vom 2015 Illapel Erdbeben mit 8,3 Mw zeigt, dass die mit GPS-only und GPS/GLONASS abgeleiteten seismischen Verschiebungen von Station zu Station variieren und bis zu 2 cm in horizontaler Richtung und beinahe 3 cm in vertikaler Richtung betragen könnten. Zudem sind Verwerfungen, die durch GPS/GLONASS seismische Verschiebungen umgekehrt sind und eine geschichtete Krustenstruktur benutzen, auf einer gekrümmten Ebene flacher und größer für das Illapel Ereignis. Als Drittes haben wir verschiedene Inversionstools getestet und die Unsicherheiten der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Tsunami Frühwarnung diskutiert. Um genau zu sein, wurden eine Schwerpunkts Momenten-Tensoren-Inversion, eine gleichmäßige Verwerfungsinversion bei Benutzung einer einzelnen Okada Verwerfung und eine verteilte Verwerfungs-Inversion in geschichteter Kruste auf einer gekrümmten Ebene durchgeführt. Dafür wurden seismische Verschiebungen genutzt, die beim Pisagua Erdbeben 2014 aufgezeichnet wurden. Während die Inversionsergebnisse ähnliche Magnituden und Bruchstellen liefern, gibt es signifikante Unterschiede bei Tiefe, Streichen, Einfalls- und Spanwinkel, was zu verschiedenen Tsunami Ausbreitungs-Szenarien führt. Trotzdem ist die resultierende Tsunami Vorhersage entlang der chilenischen Küste allen drei Modellen ähnlich. Schlussendlich und basierend auf der Tatsache, dass die Positionierungsleistung von BDS nun äquivalent zu GPS im Asia-Pazifischen Raum ist und die Manila Subduktionszone als potentielle Tsunami Gefährdungszone identifiziert wurde, schlagen wir ein Konzept für ein BDS/GPS Netzwerk für die Tsunami Frühwarnung im Südchinesischen Meer vor. Numerische Simulationen mit zwei Erdbeben (Mw 8.0 und Mw 7.5) und induzierten Tsunamis demonstrieren die Realisierbarkeit dieses Netzwerks. Zusätzlich wächst der Vorteil von BDS/GPS gegenüber einem einzelnen GNSS Sytem bei steigender Quelleninversion mit abnehmender Erdbebenmagnitude.show moreshow less

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  • SHA-1:98c1ff6e8e5830220165358b677472bedf512a8e

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Metadaten
Author details:Kejie ChenGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93174
Supervisor(s):Michael H. Weber
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Publication year:2016
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/05/27
Release date:2016/07/12
Tag:GNSS; Quelle Inversion; Tsunami-Frühwarnsystem
global navigation satellite systems; seismic source inversion; tsunami early warning
Number of pages:xii, 81
RVK - Regensburg classification:TF 04999 , UT 2850 , UT 2920 , AR 14120
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
License (German):License LogoKeine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
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