TY - THES A1 - Petersen, Gesa Maria T1 - Source studies of small earthquakes in the AlpArray: CMT inversion, seismo-tectonic analysis and methodological developments T1 - Herdmechanismen von kleinen Erdbeben im AlpArray: CMT-Inversion, seismotektonische Analyse und methodische Entwicklungen N2 - 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 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. N2 - 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 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. KW - Moment tensor inversion KW - AlpArray KW - Alps KW - Earthquakes KW - Erdbeben KW - Momententensorinversion KW - Alpen KW - AlpArray Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525635 ER - TY - THES A1 - Spooner, Cameron T1 - How does lithospheric configuration relate to deformation in the Alpine region? T1 - Was ist der Zusammenhang zwischen der lithosphärischen Zusammensetzung der Alpen, ihrer Vorländer und deren Deformation? N2 - Forming as a result of the collision between the Adriatic and European plates, the Alpine orogen exhibits significant lithospheric heterogeneity due to the long history of interplay between these plates, other continental and oceanic blocks in the region, and inherited features from preceeding orogenies. This implies that the thermal and rheological configuration of the lithosphere also varies significantly throughout the region. Lithology and temperature/pressure conditions exert a first order control on rock strength, principally via thermally activated creep deformation and on the distribution at depth of the brittle-ductile transition zone, which can be regarded as the lower bound to the seismogenic zone. Therefore, they influence the spatial distribution of seismicity within a lithospheric plate. In light of this, accurately constrained geophysical models of the heterogeneous Alpine lithospheric configuration, are crucial in describing regional deformation patterns. However, despite the amount of research focussing on the area, different hypotheses still exist regarding the present-day lithospheric state and how it might relate to the present-day seismicity distribution. This dissertaion seeks to constrain the Alpine lithospheric configuration through a fully 3D integrated modelling workflow, that utilises multiple geophysical techniques and integrates from all available data sources. The aim is therefore to shed light on how lithospheric heterogeneity may play a role in influencing the heterogeneous patterns of seismicity distribution observed within the region. This was accomplished through the generation of: (i) 3D seismically constrained, structural and density models of the lithosphere, that were adjusted to match the observed gravity field; (ii) 3D models of the lithospheric steady state thermal field, that were adjusted to match observed wellbore temperatures; and (iii) 3D rheological models of long term lithospheric strength, with the results of each step used as input for the following steps. Results indicate that the highest strength within the crust (~ 1 GPa) and upper mantle (> 2 GPa), are shown to occur at temperatures characteristic for specific phase transitions (more felsic crust: 200 – 400 °C; more mafic crust and upper lithospheric mantle: ~600 °C) with almost all seismicity occurring in these regions. However, inherited lithospheric heterogeneity was found to significantly influence this, with seismicity in the thinner and more mafic Adriatic crust (~22.5 km, 2800 kg m−3, 1.30E-06 W m-3) occuring to higher temperatures (~600 °C) than in the thicker and more felsic European crust (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Correlation between seismicity in the orogen forelands and lithospheric strength, also show different trends, reflecting their different tectonic settings. As such, events in the plate boundary setting of the southern foreland correlate with the integrated lithospheric strength, occurring mainly in the weaker lithosphere surrounding the strong Adriatic indenter. Events in the intraplate setting of the northern foreland, instead correlate with crustal strength, mainly occurring in the weaker and warmer crust beneath the Upper Rhine Graben. Therefore, not only do the findings presented in this work represent a state of the art understanding of the lithospheric configuration beneath the Alps and their forelands, but also a significant improvement on the features known to significantly influence the occurrence of seismicity within the region. This highlights the importance of considering lithospheric state in regards to explaining observed patterns of deformation. N2 - Als Resultat der Kollision zwischen der Adriatischen und Europäischen Platte ist das Alpenorogen durch eine ausgeprägte Heterogenität der Lithosphäreneigenschaften gekennzeichnet, die auf die Geschichte der beiden Platten, ihre Interaktion, Wechselwirkungen mit anderen kontinentalen und ozeanischen Blöcken der Region und strukturell vererbte Merkmale aus früheren Orogenesen zurückzuführen sind. Entsprechend ist zu erwarten, dass die thermische und rheologische Konfiguration der Lithosphäre ebenfalls grundlegend innerhalb der Region variiert. Lithologie und Temperatur-/Druckbedingungen steuern maßgeblich die Festigkeit der Lithosphäre indem thermisch aktiviertes Kriechen die Tiefenlage der spröd-duktilen Übergangszone – die sogenannte brittle-ductile transition (BDT) bestimmt. Diese Tiefenlage kann als untere Grenze der seismogenen Zone betrachtet werden kann, weshalb sie die räumliche Verteilung der Seismizität in der Lithosphärenplatte entscheidend beeinflusst. Trotz der langjährigen und umfangreichen Forschung zur Dynamik und Struktur der Alpen gibt es immer noch verschiedene Hypothesen zum heutigen physikalischen Zustand des Systems und dazu, wie dieser mit der Verteilung und dem Auftreten von Seismizität zusammenhängt. Diese Dissertation hat das Ziel, die Lithosphärenkonfiguration der Alpen zu beschreiben und Zusammenhänge zwischen der Verteilung lithosphärischer Eigenschaften und Deformation, insbesondere der Verteilung der Seismizität abzuleiten. Dies wird durch einen integrierten Modellierungsansatz erreicht, mit dem verfügbare geophysikalische Beobachtungen in 3D Modellen zusammengeführt werden, die die heterogene lithosphärische Konfiguration abbilden. Dazu wird (1) ein mit geologischen, seismischen und gravimetrischen Daten konsistentes 3D-Dichtemodell erzeugt und genutzt, um Lithologien abzuleiten, (2) deren Konsequenzen für das dreidimensionale stationäre thermische Feld zu berechnen und, basierend darauf, schließlich (3) die räumliche Variation der Lithosphärenrheologie zu bestimmen. Diese räumliche Variation der rheologischen Eigenschaften wurde schließlich in Beziehung zur Verteilung der auftretenden Seismizität gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die größte Festigkeit innerhalb der Kruste (~1 GPa) und im oberen Mantel (> 2 GPa) oberhalb der Bereiche auftritt, wo Temperaturbedingte Phasenübergänge zu erwarten sind. Für die felsische Kruste umfasst dies den Temperaturbereich bis etwa 400° C, für die mafische Kruste und den lithospärischen Mantel bis etwa 600°, wobei Seismizität jeweils oberhalb dieser Temperaturen auftritt. Zusätzlich wurden Hinweise gefunden, dass diese Festigkeitsverteilung auf vererbte Lithosphäreneigenschaften zurückzuführen ist: so tritt seismische Aktivität in der dünneren und mafischen Adria Kruste (~22,5 km, 2.800 kg m-3, 1.30E -06 W m-3) bei höheren Temperatur (~600° C) auf als in der dickeren und eher felsischen europäischen Kruste (~27.5 km, 2750 kg m−3, 1.3–2.6E-06 W m-3, ~450 °C). Die Beziehung zwischen seismischer Aktivität und Lithosphärenfestigkeit im Bereich der Vorländer zeigt ebenfalls unterschiedliche Trends, die verschiedenene tektonische Randbedingungen wiederspiegeln. Während im Plattenrandsetting des südlichen Vorlands Seismizität in der rheologisch weicheren Lithosphäre in der Umrandung des adriatischen Indentors auftritt, korreliert die auftretende Seismizität im Intraplattensetting des nördlichen Vorlands räumlich mit wärmeren und rheologisch schwächeren Domänen im Bereich des Oberrheingrabens. Somit liefern die Ergebnisse in dieser Arbeit nicht nur ein verbessertes Verständnis der Lithosphärenkonfiguration der Alpen und ihrer Vorländer , sondern auch einen bedeutenden Fortschritt dazu, welche Faktoren Seismizität innerhalb der Region beeinflussen können. Sie zeigen, dass es wichtig ist, die Lithosphärenkonfiguration zu kennen und sie zur auftretenden Deformation in Beziehung zu setzen. KW - Gravity KW - Thermal KW - Rheology KW - Model KW - Alps KW - Alpen KW - Schwerkraft KW - Modell KW - Rheologie KW - Thermisch Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516442 ER - TY - JOUR A1 - Hetenyi, Gyorgy A1 - Molinari, Irene A1 - Clinton, John A1 - Bokelmann, Gotz A1 - Bondar, Istvan A1 - Crawford, Wayne C. A1 - Dessa, Jean-Xavier A1 - Doubre, Cecile A1 - Friederich, Wolfgang A1 - Fuchs, Florian A1 - Giardini, Domenico A1 - Graczer, Zoltan A1 - Handy, Mark R. A1 - Herak, Marijan A1 - Jia, Yan A1 - Kissling, Edi A1 - Kopp, Heidrun A1 - Korn, Michael A1 - Margheriti, Lucia A1 - Meier, Thomas A1 - Mucciarelli, Marco A1 - Paul, Anne A1 - Pesaresi, Damiano A1 - Piromallo, Claudia A1 - Plenefisch, Thomas A1 - Plomerova, Jaroslava A1 - Ritter, Joachim A1 - Rumpker, Georg A1 - Sipka, Vesna A1 - Spallarossa, Daniele A1 - Thomas, Christine A1 - Tilmann, Frederik A1 - Wassermann, Joachim A1 - Weber, Michael A1 - Weber, Zoltan A1 - Wesztergom, Viktor A1 - Zivcic, Mladen A1 - Abreu, Rafael A1 - Allegretti, Ivo A1 - Apoloner, Maria-Theresia A1 - Aubert, Coralie A1 - Besancon, Simon A1 - de Berc, Maxime Bes A1 - Brunel, Didier A1 - Capello, Marco A1 - Carman, Martina A1 - Cavaliere, Adriano A1 - Cheze, Jerome A1 - Chiarabba, Claudio A1 - Cougoulat, Glenn A1 - Cristiano, Luigia A1 - Czifra, Tibor A1 - Danesi, Stefania A1 - Daniel, Romuald A1 - Dannowski, Anke A1 - Dasovic, Iva A1 - Deschamps, Anne A1 - Egdorf, Sven A1 - Fiket, Tomislav A1 - Fischer, Kasper A1 - Funke, Sigward A1 - Govoni, Aladino A1 - Groschl, Gidera A1 - Heimers, Stefan A1 - Heit, Ben A1 - Herak, Davorka A1 - Huber, Johann A1 - Jaric, Dejan A1 - Jedlicka, Petr A1 - Jund, Helene A1 - Klingen, Stefan A1 - Klotz, Bernhard A1 - Kolinsky, Petr A1 - Kotek, Josef A1 - Kuhne, Lothar A1 - Kuk, Kreso A1 - Lange, Dietrich A1 - Loos, Jurgen A1 - Lovati, Sara A1 - Malengros, Deny A1 - Maron, Christophe A1 - Martin, Xavier A1 - Massa, Marco A1 - Mazzarini, Francesco A1 - Metral, Laurent A1 - Moretti, Milena A1 - Munzarova, Helena A1 - Nardi, Anna A1 - Pahor, Jurij A1 - Pequegnat, Catherine A1 - Petersen, Florian A1 - Piccinini, Davide A1 - Pondrelli, Silvia A1 - Prevolnik, Snjezan A1 - Racine, Roman A1 - Regnier, Marc A1 - Reiss, Miriam A1 - Salimbeni, Simone A1 - Santulin, Marco A1 - Scherer, Werner A1 - Schippkus, Sven A1 - Schulte-Kortnack, Detlef A1 - Solarino, Stefano A1 - Spieker, Kathrin A1 - Stipcevic, Josip A1 - Strollo, Angelo A1 - Sule, Balint A1 - Szanyi, Gyongyver A1 - Szucs, Eszter A1 - Thorwart, Martin A1 - Ueding, Stefan A1 - Vallocchia, Massimiliano A1 - Vecsey, Ludek A1 - Voigt, Rene A1 - Weidle, Christian A1 - Weyland, Gauthier A1 - Wiemer, Stefan A1 - Wolf, Felix A1 - Wolyniec, David A1 - Zieke, Thomas T1 - The AlpArray seismic network BT - a large-scale european experiment to image the alpine orogen JF - Surveys in Geophysics N2 - The AlpArray programme is a multinational, European consortium to advance our understanding of orogenesis and its relationship to mantle dynamics, plate reorganizations, surface processes and seismic hazard in the Alps-Apennines-Carpathians-Dinarides orogenic system. The AlpArray Seismic Network has been deployed with contributions from 36 institutions from 11 countries to map physical properties of the lithosphere and asthenosphere in 3D and thus to obtain new, high-resolution geophysical images of structures from the surface down to the base of the mantle transition zone. With over 600 broadband stations operated for 2 years, this seismic experiment is one of the largest simultaneously operated seismological networks in the academic domain, employing hexagonal coverage with station spacing at less than 52 km. This dense and regularly spaced experiment is made possible by the coordinated coeval deployment of temporary stations from numerous national pools, including ocean-bottom seismometers, which were funded by different national agencies. They combine with permanent networks, which also required the cooperation of many different operators. Together these stations ultimately fill coverage gaps. Following a short overview of previous large-scale seismological experiments in the Alpine region, we here present the goals, construction, deployment, characteristics and data management of the AlpArray Seismic Network, which will provide data that is expected to be unprecedented in quality to image the complex Alpine mountains at depth. KW - Seismology KW - Alps KW - Seismic network KW - Geodynamics KW - Seismic imaging KW - Mountain building Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1007/s10712-018-9472-4 SN - 0169-3298 SN - 1573-0956 VL - 39 IS - 5 SP - 1009 EP - 1033 PB - Springer CY - Dordrecht ER - TY - JOUR A1 - Kormann, Christoph A1 - Francke, Till A1 - Bronstert, Axel T1 - Detection of regional climate change effects on alpine hydrology by daily resolution trend analysis in Tyrol, Austria JF - Journal of water and climate change N2 - Owing to average temperature increases of at least twice the global mean, climate change is expected to have strong impacts on local hydrology and climatology in the Alps. Nevertheless, trend analyses of hydro-climatic station data rarely reveal clear patterns concerning climate change signals except in temperature observations. However, trend research has thus far mostly been based on analysing trends of averaged data such as yearly, seasonal or monthly averages and has therefore often not been able to detect the finer temporal dynamics. For this reason, we derived 30-day moving average trends, providing a daily resolution of the timing and magnitude of trends within the seasons. Results are validated by including different time periods. We studied daily observations of mean temperature, liquid and solid precipitation, snow height and runoff in the relatively dry central Alpine region in Tyrol, Austria. Our results indicate that the vast majority of changes are observed throughout spring to early summer, most likely triggered by the strong temperature increase during this season. Temperature, streamflow and snow trends have clearly amplified during recent decades. The overall results are consistent over the entire investigation area and different time periods. KW - Alps KW - hydroclimatology KW - Mann-Kendall test KW - streamflow KW - trend detection Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.2166/wcc.2014.099 SN - 2040-2244 VL - 6 IS - 1 SP - 124 EP - 143 PB - IWA Publ. CY - London ER -