Gesa Maria Petersen

• Centroid moment tensor inversion can provide insight into ongoing tectonic processes and active faults. In the Alpine mountains (central Europe), challenges result from low signal-to-noise ratios of earthquakes with small to moderate magnitudes and complex wave propagation effects through the heterogeneous crustal structure of the mountain belt. In this thesis, I make use of the temporary installation of the dense AlpArray seismic network (AASN) to establish a work flow to study seismic source processes and enhance the knowledge of the Alpine seismicity. The cumulative thesis comprises four publications on the topics of large seismic networks, seismic source processes in the Alps, their link to tectonics and stress field, and the inclusion of small magnitude earthquakes into studies of active faults. Dealing with hundreds of stations of the dense AASN requires the automated assessment of data and metadata quality. I developed the open source toolbox AutoStatsQ to perform an automated data quality control. Its first application to theCentroid moment tensor inversion can provide insight into ongoing tectonic processes and active faults. In the Alpine mountains (central Europe), challenges result from low signal-to-noise ratios of earthquakes with small to moderate magnitudes and complex wave propagation effects through the heterogeneous crustal structure of the mountain belt. In this thesis, I make use of the temporary installation of the dense AlpArray seismic network (AASN) to establish a work flow to study seismic source processes and enhance the knowledge of the Alpine seismicity. The cumulative thesis comprises four publications on the topics of large seismic networks, seismic source processes in the Alps, their link to tectonics and stress field, and the inclusion of small magnitude earthquakes into studies of active faults. Dealing with hundreds of stations of the dense AASN requires the automated assessment of data and metadata quality. I developed the open source toolbox AutoStatsQ to perform an automated data quality control. Its first application to the AlpArray seismic network has revealed significant errors of amplitude gains and sensor orientations. A second application of the orientation test to the Turkish KOERI network, based on Rayleigh wave polarization, further illustrated the potential in comparison to a P wave polarization method. Taking advantage of the gain and orientation results of the AASN, I tested different inversion settings and input data types to approach the specific challenges of centroid moment tensor (CMT) inversions in the Alps. A comparative study was carried out to define the best fitting procedures. The application to 4 years of seismicity in the Alps (2016-2019) substantially enhanced the amount of moment tensor solutions in the region. We provide a list of moment tensors solutions down to magnitude Mw 3.1. Spatial patterns of typical focal mechanisms were analyzed in the seismotectonic context, by comparing them to long-term seismicity, historical earthquakes and observations of strain rates. Additionally, we use our MT solutions to investigate stress regimes and orientations along the Alpine chain. Finally, I addressed the challenge of including smaller magnitude events into the study of active faults and source processes. The open-source toolbox Clusty was developed for the clustering of earthquakes based on waveforms recorded across a network of seismic stations. The similarity of waveforms reflects both, the location and the similarity of source mechanisms. Therefore the clustering bears the opportunity to identify earthquakes of similar faulting styles, even when centroid moment tensor inversion is not possible due to low signal-to-noise ratios of surface waves or oversimplified velocity models. The toolbox is described through an application to the Zakynthos 2018 aftershock sequence and I subsequently discuss its potential application to weak earthquakes (Mw<3.1) in the Alps.…
• Die Erforschung der Bruchmechanismen von Erdbeben in den Alpen bietet Einblicke in aktuelle tektonische Prozesse. Typischerweise niedrige bis mittlere Erdbebenmagnituden und die heterogene Krustenstruktur des alpinischen Gebirges erschweren die zu dieser Erforschung durchgeführten Momententensorinversionen. In dieser Dissertation stelle ich einen Arbeitsablauf vor, mit dem ich die Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 studiert habe. Datengrundlage bildet dabei das temporäre AlpArray Netzwerk (AASN - AlpArray seismic network). Die kumulative Dissertation besteht aus vier Publikationen, die sich einerseits mit den Möglichkeiten und Herausforderungen von großen seismischen Netzwerken und andererseits mit der Erforschung der Bruchprozesse beschäftigen. Dabei wird sowohl auf die Verbindung von den Herdmechanismen und anderen Informationen wie Seismizität, Tektonik und Spannungsfeld eingegangen, als auch untersucht, wie kleinere Erdbeben unser Wissen erweitern können. Die Nutzung der großen Anzahl von Sensoren des AASNDie Erforschung der Bruchmechanismen von Erdbeben in den Alpen bietet Einblicke in aktuelle tektonische Prozesse. Typischerweise niedrige bis mittlere Erdbebenmagnituden und die heterogene Krustenstruktur des alpinischen Gebirges erschweren die zu dieser Erforschung durchgeführten Momententensorinversionen. In dieser Dissertation stelle ich einen Arbeitsablauf vor, mit dem ich die Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 studiert habe. Datengrundlage bildet dabei das temporäre AlpArray Netzwerk (AASN - AlpArray seismic network). Die kumulative Dissertation besteht aus vier Publikationen, die sich einerseits mit den Möglichkeiten und Herausforderungen von großen seismischen Netzwerken und andererseits mit der Erforschung der Bruchprozesse beschäftigen. Dabei wird sowohl auf die Verbindung von den Herdmechanismen und anderen Informationen wie Seismizität, Tektonik und Spannungsfeld eingegangen, als auch untersucht, wie kleinere Erdbeben unser Wissen erweitern können. Die Nutzung der großen Anzahl von Sensoren des AASN erfordert eine sorgfältige Kontrolle von Wellenformdaten und Stations-Metadaten. Um diese aufwändige Aufgabe weitmöglichst zu automatisieren, habe ich die open source toolbox AutoStatsQ entwickelt. Die Verwendung von AutoStatsQ zur Überprüfung des AASN zeigte mehrere signifikante Fehler in den Wellenform-Amplituden und in den Orientierungen der Horizontalkomponenten der Sensoren. Bei einer zweiten Anwendung des Orientierungstests von AutoStatsQ auf das türkische KOERI Netzwerk zeigten sich ebenfalls zahlreiche fehlerhaft orientierte Sensoren. Ein Vergleich mit einer zweiten Methode, basierend auf P-Wellen anstatt von Rayleigh-Wellen, zeigt weitestgehend übereinstimmende Ergebnisse. Basierend auf der Datenqualitätsstudie des AASN werden in der dritten Publikation systematisch verschiedene Einstellungen (z.B. Frequenzbänder, Datentypen, Azimuthale Abdeckung) für Momententensorinversionen getestet und vergleichen. Anschließend wurden Bruchprozesse von Erdbeben zwischen 2016 und 2019 mit Magnituden ab Mw 3.1 analysiert. Zur Interpretation der Ergebnisse im seismotektonischen Zusammenhang werden zusätzlich ältere Momententensorlösungen, Seismizitätskataloge ab 1970, historische Erdbeben und Deformation basierend auf Satellitendaten betrachtet. Aufgrund des Signal-Rausch-Verhältnisses von Oberflächenwellen müssten im Falle von Erdbeben mit kleineren Magnituden (Mw<3.1) höherfrequentere Raumwellen genutzt werden. Je höher der Frequenzbereich, desto größer sind die Einflüsse von Heterogenitäten entlang der Laufwege, sodass einfache 1-D Geschwindigkeitsmodelle nicht ausreichen. Um trotzdem kleinere Erdbeben in die Studien von aktiven Störungen einzubeziehen, haben wir die open-source toolbox Clusty entwickelt. Diese nutzt die Ähnlichkeit von Wellenformen in einem seismischen Netzwerk, um Erdbeben zu gruppieren. Die Ähnlichkeit von Wellenformen zweier Erdbeben über ein Netzwerk resultiert dabei sowohl aus der Ähnlichkeit der Herdmechanismen als auch aus der Lokation der Beben. Der Ketten-ähnliche clustering Ansatz ermöglicht es dabei, graduelle Wellenform-Unterschiede aufgrund von Lokationsänderungen entlang einer Störungszone zu berücksichtigen. Das clustering bietet folglich die Möglichkeit, Beben mit ähnlichen Herdmechanismen zu identifizieren und somit Störungszonen nachzuzeichnen. Die toolbox wird in der vierten Publikation anhand einer Anwendung auf die Nachbebensequenz des Zakynthos Bebens von 2018 beschrieben. Anschließend daran diskutiere ich, wie eine Anwendung auf die Alpen unsere Studien der Bruchprozesse und aktiven Störungen erweitern kann.…