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Inversion of seismic source parameters for weak mining-induced and natural earthquakes

Inversion von seismischen Quellparametern für schwache Bergbau-induzierte und natürliche Erdbeben

  • The purpose of this thesis is to develop an automated inversion scheme to derive point and finite source parameters for weak earthquakes, here intended with the unusual meaning of earthquakes with magnitudes at the limit or below the bottom magnitude threshold of standard source inversion routines. The adopted inversion approaches entirely rely on existing inversion software, the methodological work mostly targeting the development and tuning of optimized inversion flows. The resulting inversion scheme is tested for very different datasets, and thus allows the discussion on the source inversion problem at different scales. In the first application, dealing with mining induced seismicity, the source parameters determination is addressed at a local scale, with source-sensor distance of less than 3 km. In this context, weak seismicity corresponds to event below magnitude MW 2.0, which are rarely target of automated source inversion routines. The second application considers a regional dataset, namely the aftershock sequence of the 2010The purpose of this thesis is to develop an automated inversion scheme to derive point and finite source parameters for weak earthquakes, here intended with the unusual meaning of earthquakes with magnitudes at the limit or below the bottom magnitude threshold of standard source inversion routines. The adopted inversion approaches entirely rely on existing inversion software, the methodological work mostly targeting the development and tuning of optimized inversion flows. The resulting inversion scheme is tested for very different datasets, and thus allows the discussion on the source inversion problem at different scales. In the first application, dealing with mining induced seismicity, the source parameters determination is addressed at a local scale, with source-sensor distance of less than 3 km. In this context, weak seismicity corresponds to event below magnitude MW 2.0, which are rarely target of automated source inversion routines. The second application considers a regional dataset, namely the aftershock sequence of the 2010 Maule earthquake (Chile), using broadband stations at regional distances, below 300 km. In this case, the magnitude range of the target aftershocks range down to MW 4.0. This dataset is here considered as a weak seismicity case, since the analysis of such moderate seismicity is generally investigated only by moment tensor inversion routines, with no attempt to resolve source duration or finite source parameters. In this work, automated multi-step inversion schemes are applied to both datasets with the aim of resolving point source parameters, both using double couple (DC) and full moment tensor (MT) models, source duration and finite source parameters. A major result of the analysis of weaker events is the increased size of resulting moment tensor catalogues, which interpretation may become not trivial. For this reason, a novel focal mechanism clustering approach is used to automatically classify focal mechanisms, allowing the investigation of the most relevant and repetitive rupture features. The inversion of the mining induced seismicity dataset reveals the repetitive occurrence of similar rupture processes, where the source geometry is controlled by the shape of the mined panel. Moreover, moment tensor solutions indicate a significant contribution of tensile processes. Also the second application highlights some characteristic geometrical features of the fault planes, which show a general consistency with the orientation of the slab. The additional inversion for source duration allowed to verify the empirical correlation for moment normalized earthquakes in subduction zones among a decreasing rupture duration with increasing source depth, which was so far only observed for larger events.show moreshow less
  • Ziel dieser Dissertation ist es ein automatisches Inversionsschema zur Ableitung von Parametern für Punkt- und finite Quellen von "schwachen" Erdbeben im Sinne von aussergewöhnlich kleinen Erdbeben an oder unterhalb der Magnitudenschwelle für Standard-Inversionsroutinen zu entwickeln. Der verwendete Inversionsansatz baut auf bestehender Inversionssoftware auf, die methodische Arbeit zielt hauptsächlich auf die Entwicklung und das Tuning des optimierten Inversionsablaufs. Das resultierende Inversionsverfahren ist für verschiedene Datensätze getestet und erlaubt somit eine Diskussion über das Herdinversionsproblem auf unterschiedlichen Skalierungen. In der ersten Anwendung, die sich mit induzierter Seismizität in Minen beschäftigt, werden die Herdparameter im lokalen Bereich mit einer Herd-Empfänger Entfernung von weniger als 3 km bestimmt. In diesem Zusammenhang bezieht sich die "schwache" Seismizität auf Ereignisse mit Magnituden unter Mw 2.0, welche sehr selten das Ziel von automatisierten Herdinversionsroutinen sind. Die zweiteZiel dieser Dissertation ist es ein automatisches Inversionsschema zur Ableitung von Parametern für Punkt- und finite Quellen von "schwachen" Erdbeben im Sinne von aussergewöhnlich kleinen Erdbeben an oder unterhalb der Magnitudenschwelle für Standard-Inversionsroutinen zu entwickeln. Der verwendete Inversionsansatz baut auf bestehender Inversionssoftware auf, die methodische Arbeit zielt hauptsächlich auf die Entwicklung und das Tuning des optimierten Inversionsablaufs. Das resultierende Inversionsverfahren ist für verschiedene Datensätze getestet und erlaubt somit eine Diskussion über das Herdinversionsproblem auf unterschiedlichen Skalierungen. In der ersten Anwendung, die sich mit induzierter Seismizität in Minen beschäftigt, werden die Herdparameter im lokalen Bereich mit einer Herd-Empfänger Entfernung von weniger als 3 km bestimmt. In diesem Zusammenhang bezieht sich die "schwache" Seismizität auf Ereignisse mit Magnituden unter Mw 2.0, welche sehr selten das Ziel von automatisierten Herdinversionsroutinen sind. Die zweite Anwendung berücksichtigt den regionalen Datensatz der Nachbebesequenz des Maule (Chile) Erdbebens von 2010, aufgezeichnet durch Breitband-Stationen in einer maximalen Entfernung von 300 km. In diesem Fall umfasst der Magnitudenbereich Ereignisse mit Magnituden kleiner als Mw 4.0. Auch dieser Datensatz wird hier als "schwache" Seismizität interpretiert, da die Analyse solch moderater Seismizität normalerweise nur durch Routinen für Momententensorinversion erfolgt, welche keinerlei Auflösung für die Herddauer oder finite Herdparameter beinhaltet. In dieser Arbeit wird ein automatisiertes, mehrstufiges Inversionsverfahren auf beide Datensätze angewendet mit dem Ziel sowohl Punktquellen-Herdparameter für double-couple (DC) und volle Momententensor (MT) Modelle als auch für Herddauer und finite Herdparameter zu bestimmen. Ein Hauptergebnis dieser Analyse von schwachen Ereignissen ist die Vergrößerung von Momententensor-Katalogen, deren Interpretation wichtig werden könnte. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Cluster-Ansatz für Herdmechanismen angewendet um diese automatisch zu klassifizieren, der somit die Untersuchung der wichtigsten und sich wiederholenden Bruchprozessen erlaubt. Die Inversion des Datensatzes von induzierter Seismizität in Minen enthüllt das sich wiederholende Auftreten von ähnlichen Bruchprozessen, wobei die Herdgeometrie von der Form der Minentäfelung kontrolliert wird. Darüber hinaus deuten die Momententensorlösungen einen signifikanten Beitrag von tensilen Prozessen an. Auch die zweite Anwendung zeigt einige charackteristische, geometrische Besonderheiten der Bruchflächen auf, welche prinzipiell konsistent zur Orientierung der subduzierten Platte sind. Die zusätzliche Inversion nach der Herdzeit erlaubt die Verifizierung von empirischen Korrelationen von momentennormalisierten Erdbeben in Subduktionszonen zwischen einer abnehmenden Bruchdauer mit zunehmender Herdtiefe, welche bisher nur für größere Ereignisse beobachtet wurde.show moreshow less

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Metadaten
Author:Ali Tolga Sen
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-71914
Advisor:Torsten Dahm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2014/06/26
Release Date:2015/05/21
Tag:Aufenthaltsdauer; Momententensor; Quellenumkehr; Seismologie; induzierten Seismizität
induced seismicity; moment tensor; seismology; source duration; source inversion
RVK - Regensburg Classification:UT 2500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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