TY - JOUR A1 - Dahm, Torsten A1 - Heimann, Sebastian A1 - Metz, Malte A1 - Isken, Marius Paul T1 - A self-similar dynamic rupture model based on the simplified wave-rupture analogy JF - Geophysical journal international / the Royal Astronomical Society, the Deutsche Geophysikalische Gesellschaft and the European Geophysical Society N2 - The investigation of stresses, faults, structure and seismic hazards requires a good understanding and mapping of earthquake rupture and slip. Constraining the finite source of earthquakes from seismic and geodetic waveforms is challenging because the directional effects of the rupture itself are small and dynamic numerical solutions often include a large number of free parameters. The computational effort is large and therefore difficult to use in an exploratory forward modelling or inversion approach. Here, we use a simplified self-similar fracture model with only a few parameters, where the propagation of the fracture front is decoupled from the calculation of the slip. The approximative method is flexible and computationally efficient. We discuss the strengths and limitations of the model with real-case examples of well-studied earthquakes. These include the M-w 8.3 2015 Illapel, Chile, megathrust earthquake at the plate interface of a subduction zone and examples of continental intraplate strike-slip earthquakes like the M-w 7.1 2016 Kumamoto, Japan, multisegment variable slip event or the M-w 7.5 2018 Palu, Indonesia, supershear earthquake. Despite the simplicity of the model, a large number of observational features ranging from different rupture-front isochrones and slip distributions to directional waveform effects or high slip patches are easy to model. The temporal evolution of slip rate and rise time are derived from the incremental growth of the rupture and the stress drop without imposing other constraints. The new model is fast and implemented in the open-source Python seismology toolbox Pyrocko, ready to study the physics of rupture and to be used in finite source inversions. KW - Earthquake dynamics KW - Earthquake ground motions KW - Earthquake hazards KW - Earthquake source observations Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1093/gji/ggab045 SN - 0956-540X SN - 1365-246X VL - 225 IS - 3 SP - 1586 EP - 1604 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - Finite fault earthquake source inversions T1 - Ausgedehnte Erdbebenquellinversion BT - implementation and testing of a novel physics-based rupture model BT - Implementierung und Validierung eines neuen selbst-ähnlichen Bruchmodels N2 - Earthquake modeling is the key to a profound understanding of a rupture. Its kinematics or dynamics are derived from advanced rupture models that allow, for example, to reconstruct the direction and velocity of the rupture front or the evolving slip distribution behind the rupture front. Such models are often parameterized by a lattice of interacting sub-faults with many degrees of freedom, where, for example, the time history of the slip and rake on each sub-fault are inverted. To avoid overfitting or other numerical instabilities during a finite-fault estimation, most models are stabilized by geometric rather than physical constraints such as smoothing. As a basis for the inversion approach of this study, we build on a new pseudo-dynamic rupture model (PDR) with only a few free parameters and a simple geometry as a physics-based solution of an earthquake rupture. The PDR derives the instantaneous slip from a given stress drop on the fault plane, with boundary conditions on the developing crack surface guaranteed at all times via a boundary element approach. As a side product, the source time function on each point on the rupture plane is not constraint and develops by itself without additional parametrization. The code was made publicly available as part of the Pyrocko and Grond Python packages. The approach was compared with conventional modeling for different earthquakes. For example, for the Mw 7.1 2016 Kumamoto, Japan, earthquake, the effects of geometric changes in the rupture surface on the slip and slip rate distributions could be reproduced by simply projecting stress vectors. For the Mw 7.5 2018 Palu, Indonesia, strike-slip earthquake, we also modelled rupture propagation using the 2D Eikonal equation and assuming a linear relationship between rupture and shear wave velocity. This allowed us to give a deeper and faster propagating rupture front and the resulting upward refraction as a new possible explanation for the apparent supershear observed at the Earth's surface. The thesis investigates three aspects of earthquake inversion using PDR: (1) to test whether implementing a simplified rupture model with few parameters into a probabilistic Bayesian scheme without constraining geometric parameters is feasible, and whether this leads to fast and robust results that can be used for subsequent fast information systems (e.g., ground motion predictions). (2) To investigate whether combining broadband and strong-motion seismic records together with near-field ground deformation data improves the reliability of estimated rupture models in a Bayesian inversion. (3) To investigate whether a complex rupture can be represented by the inversion of multiple PDR sources and for what type of earthquakes this is recommended. I developed the PDR inversion approach and applied the joint data inversions to two seismic sequences in different tectonic settings. Using multiple frequency bands and a multiple source inversion approach, I captured the multi-modal behaviour of the Mw 8.2 2021 South Sandwich subduction earthquake with a large, curved and slow rupturing shallow earthquake bounded by two faster and deeper smaller events. I could cross-validate the results with other methods, i.e., P-wave energy back-projection, a clustering analysis of aftershocks and a simple tsunami forward model. The joint analysis of ground deformation and seismic data within a multiple source inversion also shed light on an earthquake triplet, which occurred in July 2022 in SE Iran. From the inversion and aftershock relocalization, I found indications for a vertical separation between the shallower mainshocks within the sedimentary cover and deeper aftershocks at the sediment-basement interface. The vertical offset could be caused by the ductile response of the evident salt layer to stress perturbations from the mainshocks. The applications highlight the versatility of the simple PDR in probabilistic seismic source inversion capturing features of rather different, complex earthquakes. Limitations, as the evident focus on the major slip patches of the rupture are discussed as well as differences to other finite fault modeling methods. N2 - Erdbebenmodelle sind der Schlüssel zu einem detaillierten Verständnis der zugrunde liegenden Bruchprozesse. Die kinematischen oder dynamischen Brucheigenschaften werden mit Hilfe von ausgedehnten Bruchmodellen bestimmt. Dadurch können Details, wie z.B. die Bruchrichtung und -geschwindigkeit oder die Verschiebungsverteilung, aufgelöst werden. Häufig sind ausgedehnte Bruchmodelle durch sehr viele freie Parameter definiert, etwa individuelle Verschiebungen und Verschiebungsrichtungen auf den diskretisierten Bruchflächenelementen. Die große Anzahl an Parametern sorgt dafür, dass Inversionsprobleme hochgradig unterbestimmt sind. Um daraus resultierende numerische Instabilitäten zu verhinden, werden diese Modelle häufig mit zusätzlichen eher geometrischen als physikalischen Annahmen stabilisiert, z.B. im Bezug auf die Rauigkeit der Verschiebung auf der Bruchfläche. Die Basis für die Inversionsmethode in dieser Dissertaton bildet das von uns entwickelete pseudo-dynamische Bruchmodel (PDR). Die PDR basiert auf wenigen freien Parametern und einer simplen, planaren Geometrie und ergibt eine physik-gestützte Lösung für Erdbebenbrüche. Die PDR bestimmt die instantane Verschiebung basierend auf gegebenen Spannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die Randbedingung der Spannungsänderung wird dabei zu jedem Zeitpunkt der Bruchentwicklung über eine Randelementmethode eingehalten. Als Nebenprodukt dessen kann die Herdzeitfunktion an jedem Punkt der Bruchfläche als Ergebnis des Models bestimmt werden, und muss daher nicht vorher definiert werden. Der PDR-Modellierungsansatz wurde mit anderen Modellen anhand verschiedener Erdbeben verglichen. Am Beispiel des Mw 7,1 2016 Kumamoto, Japan, Bebens konnte der Effekt einer gekrümmten Bruchfläche auf die daraus resultierenden Verschiebungsverteilung und Verschiebungsraten durch eine Projezierung der Spannungsvektoren reproduziert werden. Für das Mw 7,5 2018 Palu, Indonesien, Beben haben wir die Bruchausbreitung auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung und basierend auf einem angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Bruch- und Scherwellengeschwindigkeit modelliert. Dadurch konnten wir die beobachtete Supershear-Bruchausbreitung als Ergebnis einer möglichen tiefen und daher schnelleren Bruchfront mit einer Abstrahlung an die Erdoberfläche erklären. Der PDR-Vorwärtsmodellierungs-Code wurde in den Open-Source Python Paketen Pyrocko und Grond veröffentlicht. Meine Dissertation beleuchtet drei Aspekte der Erdbebeninversion unter Zuhilfenahme der PDR: (1) Ist eine Implementation eines simplen Bruchmodels mit wenigen Parametern in ein probabalistisches Bayesisches Inversionsprogramm möglich? Kann dies schnelle und robuste Ergebnisse für weitere Folgeanwendungen, wie Bodenbeschleunigungsvorhersagen, liefern? (2) Wie hilft die Kombination aus seismischen Breitband- und Accelerometerdaten mit Nahfelddeformationsdaten, Inversionsergebnisse mit der PDR zu verbessern? (3) Können komplexe Brüche über einen multiplen PDR-Quellinversionsansatz aufgelöst werden und wenn ja, wann ist dies möglich? Ich habe den PDR-Inversionsansatz entwickelt und auf zwei Erdbeben-Sequenzen in verschiedenen tektonischen Umgebungen angewandt. Mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen in mehreren Frequenzbändern innerhalb von einfachen und multiplen Bruchflächeninversionen konnte ich das multi-modale Mw 8,2 2021 South Sandwich Erdbeben characterisieren. Dieses bestand aus einem langen, flachen, langsam brechenden Beben entlang der gekrümmten Subduktionszone, welches durch zwei kleinere, tiefere Brüche mit schnelleren Bruchgeschwindigkeiten begrenzt wurde. Die Validierung mit Ergebnissen aus einer P-Wellen Back-Projection, der Clusteranalyse von Nachbeben und einer Tsunami-Modelierung zeigten eine hohe Konsistenz mit den PDR-Resultaten. Die Kombination von seismischen Daten und Oberflächendeformationen in einer multiplen PDR-Inversion habe ich auch zur Analyse eines Beben-Triplets vom Juni 2022 im Südosten des Irans genutzt. Die Inversionen konnten im Zusammenspiel mit relokalisierten Nachbeben einen neuen Fall von vertikaler Haupt-/Nachbebenseparation auflösen. Während die großen Hauptbeben im flachen Sediment stattfanden, sind die Nachbeben hauptsächlich entlang der tieferen Grenzfläche zwischen Sediment und kristallinem Grundgebirge aufgetreten. Eine Erklärung dafür ist das duktile Fließen einer vorhandenen Salzschicht auf der Grenzfläche, ausgelöst durch Spannungsänderungen im Zuge der Hauptbeben. Die Anwendungen konnten die Vielseitigkeit der PDR als simples Quellmodel innerhalb von seismischen Quellinversionen zeigen. Limitierungen der Inversion, wie der augenscheinliche Fokus auf den Hauptverschiebungsbereich eines Bebens, werden in dieser Arbeit genauso diskutiert wie die Einordnung der PDR im Vergleich zu anderen ausgedehnten Quellmodellen. KW - seismology KW - inversion KW - source model KW - Seismologie KW - Inversion KW - Bruchmodel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619745 ER - TY - THES A1 - Metz, Malte T1 - A quasi-dynamic and self-consistent rupture model to simulate earthquake ruptures N2 - Dynamic earthquake rupture modeling provides information on the rupture physics as the rupture velocity, frictions or tractions acting during the rupture process. Nevertheless, as often based on spatial gridded preset geometries, dynamic modeling is depending on many free parameters leading to both a high non-uniqueness of the results and large computation times. That decreases the possibilities of full Bayesian error analysis. To assess the named problems we developed the quasi-dynamic rupture model which is presented in this work. It combines the kinematic Eikonal rupture model with a boundary element method for quasi-static slip calculation. The orientation of the modeled rupture plane is defined by a previously performed moment tensor inversion. The simultanously inverted scalar seismic moment allows an estimation of the extension of the rupture. The modeled rupture plane is discretized by a set of rectangular boundary elements. For each boundary element an applied traction vector is defined as the boundary value. For insights in the dynamic rupture behaviour the rupture front propagation is calculated for incremental time steps based on the 2D Eikonal equation. The needed location-dependent rupture velocity field is assumed to scale linearly with a layered shear wave velocity field. At each time all boundary elements enclosed within the rupture front are used to calculate the quasi-static slip distribution. Neither friction nor stress propagation are considered. Therefore the algorithm is assumed to be “quasi-static”. A series of the resulting quasi-static slip snapshots can be used as a quasi-dynamic model of the rupture process. As many a priori information is used from the earth model (shear wave velocity and elastic parameters) and the moment tensor inversion (rupture extension and orientation) our model is depending on few free parameters as the traction field, the linear factor between rupture and shear wave velocity and the nucleation point and time. Hence stable and fast modeling results are obtained as proven from the comparison to different infinite and finite static crack solutions. First dynamic applications show promissing results. The location-dependent rise time is automatically derived by the model. Different simple kinematic models as the slip-pulse or the penny-shaped crack model can be reproduced as well as their corresponding slip rate functions. A source time function (STF) approximation calculated from the cumulative sum of moment rates of each boundary element gives results similar to theoretical and empirical known STFs. The model was also applied to the 2015 Illapel earthquake. Using a simple rectangular rupture geometry and a 2-layered traction regime yields good estimates of both the rupture front propagation and the slip patterns which are comparable to literature results. The STF approximation shows a good fit with previously published STFs. The quasi-dynamic rupture model is hence able to fastly calculate reproducable slip results. That allows to test full Bayesian error analysis in the future. Further work on a full seismic source inversion or even a traction field inversion can also extend the scope of our model. N2 - Die dynamische Bruchmodellierung eines Erdbebens erlaubt Rückschlüsse auf Parameter der Bruchphysik, z. B. die Bruchgeschwindigkeit, die Reibung oder die Scherspannungsänderungen auf der Bruchfläche. Die meisten dynamischen Ansätze basieren dabei auf einem vorab definierten räumlichen Gitter. Dies führt zu einer großen Anzahl freier Modellparameter. Dynamische Modellierungen sind darum oft rechenaufwändig und hochgradig mehrdeutig im Ergebnis. Dies erschwert eine gute bayesische Fehleranalyse. Die benannnten Probleme und Schwierigkeiten werden durch das in dieser Arbeit präsentierte quasi-dynamische Bruchmodell angegangen. Es basiert auf der Kombination des Eikonal-Bruchmodells mit einer eigens entwickelten Randelementmethode zur Bestimmung der quasi-statischen Verschiebung. Dabei wird die Orientierung der Bruchfläche vorab über eine Momententensorinversion bestimmt. Das ebenfalls invertierte skalare seismische Moment dient zur Abschätzung der Bruchgröße. Die so bestimmte Bruchfläche wird in rechteckige Randelemente unterteilt. Als Randwerte werden die auf jedem Randelement angreifenden Spannungsänderungen vorgegeben. Um das dynamische Bruchverhalten zu studieren, wird die Bruchfrontausbreitung für inkrementelle Zeitschritte auf Grundlage der 2D-Eikonalgleichung berechnet. Die Bruchgeschwindigkeit wird dabei als linear zur Scherwellengeschwindigkeit skalierendes Feld angenommen, basierend auf einem geschichteten 1D-Untergrundmodell. Die von der Bruchfront eingeschlossenen Randelemente werden für eine quasi-statische Verschiebungsinversion genutzt. Dabei werden weder Reibung noch Spannungsmigrierung berücksichtigt (deswegen “quasi-statisch”). Eine Serie aus mehreren Verschiebungsbestimmungen ergibt dabei das quasi-dynamisches Bruchmodell. Da viele a priori Informationen aus dem Erdmodell beziehungsweise der Momententensorinversion genutzt werden, gibt es nur wenige freie Modellparameter (Nukleationspunkt und -Zeit, Linearfaktor zwischen Scher- und Bruchgeschwindigkeit sowie das Spannungsänderungsfeld). Das ermöglicht stabile und schnelle Modellierungen. Dies belegen durchgeführte Vergleiche mit finiten und infiniten analytischen, statischen Bruchlösungen. Zudem wurden erste dynamische Anwendungen erprobt. Dabei ergibt sich die ortsabhängige Zeit der Slipänderung jedes Randelementes (“rise time”) automatisch aus der Modellierung. Selbst die Reproduktion verschiedener kinematischer Modelle wie dem “slip-pulse” oder dem “penny-shaped crack” Modell ist möglich. Die spezifischen Slipratenfunktionen werden dabei automatisch erzeugt. Zudem lässt sich eine so genannte äquivalente Herdzeitfunktion aus der Summe der Momentenänderungen aller Randelemente bestimmen. Diese ist vergleichbar mit verschiedenen theoretischen und empirischen Herdzeitfunktionen. Unser Modell wurde zudem auf das 2015 Illapel Erdbeben angewandt. Basierend auf einer einfachen, rechteckigen Bruchgeometrie und einem zweigeteilten geschichteten Spannungsänderungsfeldes konnten sowohl die Bruchfrontausbreitung als auch das Verschiebungsfeld mit bekannten Werten aus der Literatur in Übereinstimmung gebracht werden. Die Herdzeitapproximation zeigt dabei einen Verlauf, der vergleichbar zu bereits veröffentlichten Herdzeitfunktionen ist. Das quasi-dynamische Bruchmodell kann schnell reproduzierbare Verschiebungsfelder und deren zeitliche Veränderung bestimmen. Damit ermöglicht es bayesische Fehlerabschätzungen. Auch für komplette seismische Quellinversion sowie eine Integration der Spannungsänderungen auf der Bruchfläche kann das Modell in Zukunft genutzt werden. T2 - Ein quasi-dynamisches und selbst-ähnliches Bruchmodel zur Erdbebenbruchmodelierung KW - earthquake modeling KW - source inversion KW - boundary element method KW - Erdbebenquellinversion KW - Randelementmethode KW - Erdbebenmodelierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473100 ER -