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GPS based analysis of earthquake induced phenomena at the Sunda Arc

GPS-basierte Analyse erdbebeninduzierter Phänomene am Sundabogen

  • Indonesia is one of the countries most prone to natural hazards. Complex interaction of several tectonic plates with high relative velocities leads to approximately two earthquakes with magnitude Mw>7 every year, being more than 15% of the events worldwide. Earthquakes with magnitude above 9 happen far more infrequently, but with catastrophic effects. The most severe consequences thereby arise from tsunamis triggered by these subduction-related earthquakes, as the Sumatra-Andaman event in 2004 showed. In order to enable efficient tsunami early warning, which includes the estimation of wave heights and arrival times, it is necessary to combine different types of real-time sensor data with numerical models of earthquake sources and tsunami propagation. This thesis was created as a result of the GITEWS project (German Indonesian Tsunami Early Warning System). It is based on five research papers and manuscripts. Main project-related task was the development of a database containing realistic earthquake scenarios for the Sunda Arc. ThisIndonesia is one of the countries most prone to natural hazards. Complex interaction of several tectonic plates with high relative velocities leads to approximately two earthquakes with magnitude Mw>7 every year, being more than 15% of the events worldwide. Earthquakes with magnitude above 9 happen far more infrequently, but with catastrophic effects. The most severe consequences thereby arise from tsunamis triggered by these subduction-related earthquakes, as the Sumatra-Andaman event in 2004 showed. In order to enable efficient tsunami early warning, which includes the estimation of wave heights and arrival times, it is necessary to combine different types of real-time sensor data with numerical models of earthquake sources and tsunami propagation. This thesis was created as a result of the GITEWS project (German Indonesian Tsunami Early Warning System). It is based on five research papers and manuscripts. Main project-related task was the development of a database containing realistic earthquake scenarios for the Sunda Arc. This database provides initial conditions for tsunami propagation modeling used by the simulation system at the early warning center. An accurate discretization of the subduction geometry, consisting of 25x150 subfaults was constructed based on seismic data. Green’s functions, representing the deformational response to unit dip- and strike slip at the subfaults, were computed using a layered half-space approach. Different scaling relations for earthquake dimensions and slip distribution were implemented. Another project-related task was the further development of the ‘GPS-shield’ concept. It consists of a constellation of near field GPS-receivers, which are shown to be very valuable for tsunami early warning. The major part of this thesis is related to the geophysical interpretation of GPS data. Coseismic surface displacements caused by the 2004 Sumatra earthquake are inverted for slip at the fault. The effect of different Earth layer models is tested, favoring continental structure. The possibility of splay faulting is considered and shown to be a secondary order effect in respect to tsunamigenity for this event. Tsunami models based on source inversions are compared to satellite radar altimetry observations. Postseismic GPS time series are used to test a wide parameter range of uni- and biviscous rheological models of the asthenosphere. Steady-state Maxwell rheology is shown to be incompatible with near-field GPS data, unless large afterslip, amounting to more than 10% of the coseismic moment is assumed. In contrast, transient Burgers rheology is in agreement with data without the need for large aseismic afterslip. Comparison to postseismic geoid observation by the GRACE satellites reveals that even with afterslip, the model implementing Maxwell rheology results in amplitudes being too small, and thus supports a biviscous asthenosphere. A simple approach based on the assumption of quasi-static deformation propagation is introduced and proposed for inversion of coseismic near-field GPS time series. Application of this approach to observations from the 2004 Sumatra event fails to quantitatively reconstruct the rupture propagation, since a priori conditions are not fulfilled in this case. However, synthetic tests reveal the feasibility of such an approach for fast estimation of rupturing properties.show moreshow less
  • Indonesien ist eines der am stärksten von Naturkatastrophen bedrohten Länder der Erde. Die komplexe Interaktion mehrer tektonischer Platten, die sich mit hohen Relativgeschwindigkeiten zueinander bewegen, führt im Mittel zu ungefähr zwei Erdbeben mit Magnitude Mw>7 pro Jahr, was mehr als 15% der Ereignisse weltweit entspricht. Beben mit Magnitude über 9 sind weitaus seltener, haben aber katastrophale Folgen. Die schwerwiegendsten Konsequenzen hierbei werden durch Tsunamis verursacht, welche durch diese Subduktionsbeben ausgelöst werden, wie das Sumatra-Andamanen Ereignis von 2004 gezeigt hat. Um eine wirksame Tsunami-Frühwarnung zu ermöglichen, welche die Abschätzung der Wellenhöhen und Ankunftszeiten beinhaltet, ist es erforderlich, verschieden Arten von Echtzeit-Sensordaten mit numerischen Modellen für die Erdbebenquelle und Tsunamiausbreitung zu kombinieren. Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des GITEWS-Projektes (German Indonesian Tsunami Early Warning System) erstellt und umfasst fünf Fachpublikationen und Manuskripte.Indonesien ist eines der am stärksten von Naturkatastrophen bedrohten Länder der Erde. Die komplexe Interaktion mehrer tektonischer Platten, die sich mit hohen Relativgeschwindigkeiten zueinander bewegen, führt im Mittel zu ungefähr zwei Erdbeben mit Magnitude Mw>7 pro Jahr, was mehr als 15% der Ereignisse weltweit entspricht. Beben mit Magnitude über 9 sind weitaus seltener, haben aber katastrophale Folgen. Die schwerwiegendsten Konsequenzen hierbei werden durch Tsunamis verursacht, welche durch diese Subduktionsbeben ausgelöst werden, wie das Sumatra-Andamanen Ereignis von 2004 gezeigt hat. Um eine wirksame Tsunami-Frühwarnung zu ermöglichen, welche die Abschätzung der Wellenhöhen und Ankunftszeiten beinhaltet, ist es erforderlich, verschieden Arten von Echtzeit-Sensordaten mit numerischen Modellen für die Erdbebenquelle und Tsunamiausbreitung zu kombinieren. Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des GITEWS-Projektes (German Indonesian Tsunami Early Warning System) erstellt und umfasst fünf Fachpublikationen und Manuskripte. Projektbezogene Hauptaufgabe war die Erstellung einer Datenbank mit realistischen Bebenszenarien für den Sundabogen. Die Datenbank beinhaltet Anfangsbedingungen für die Tsunami-Ausbreitungsmodellierung und ist Teil des Simulationssystems im Frühwarnzentrum. Eine sorgfältige Diskretisierung der Subduktionsgeometrie, bestehend aus 25x150 subfaults, wurde basierend auf seismischen Daten erstellt. Greensfunktionen, welche die Deformation, hervorgerufen durch Verschiebung an den subfaults ausmachen, wurden mittels eines semianalytischen Verfahrens für den geschichteten Halbraum berechnet. Verschiedene Skalierungsrelationen für Erdbebendimension und slip-Verteilung wurden implementiert. Eine weitere projektbezogene Aufgabe war die Weiterentwicklung des ‚GPS-Schild’-Konzeptes. Dieses besteht aus einer Konstellation von GPS-Empfängern im Nahfeldbereich, welche sich als sehr wertvoll für die Tsunami-Frühwarnung erweisen. Der größere Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der geophysikalischen Interpretation von GPS-Daten. Coseismische Verschiebungen an der Erdoberfläche, ausgelöst durch das Erdbeben von 2004, werden nach slip an der Verwerfung invertiert. Die Wirkung verschiedener Erdschichtungsmodelle wird getestet und resultiert in der Bevorzugung einer kontinentalen Struktur. Die Möglichkeit von splay-faulting wird untersucht und erweist sich als zweitrangiger Effekt bezüglich der Tsunamiwirkung für dieses Ereignis. Die auf der Quelleninversion basierenden Tsunamimodelle werden mit satellitengestützen Radaraltimetriedaten verglichen. Postseismische GPS-Daten werden verwendet, um einen weiten Parameterbereich uni- und bi-viskoser Modelle der Asthenosphäre zu testen. Dabei stellt sich stationäre Maxwell-Rheologie als inkompatibel mit Nahfeld-GPS-Zeitreihen heraus, es sei denn, eine große Quantität an afterslip, entsprechend etwa 10% des coseismischen Momentes, wird angenommen. Im Gegensatz dazu ist die transiente Burgers-Rheologie ohne große Mengen an afterslip kompatibel zu den Beobachtungen. Der Vergleich mit postseismischen Geoidbeobachtungen durch die GRACE-Satelliten zeigt, dass das Modell basierend auf Maxwell-Rheologie, auch mit afterslip, zu kleine Amplituden liefert, und bekräftigt die Annahme einer biviskosen Rheologie der Asthenosphäre. Ein einfacher Ansatz, der auf einer quasi-statischen Deformationsausbreitung beruht, wird eingeführt und zur Inversion coseismischer Nahfeld-GPS-Zeitreihen vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Ansatzes auf Beobachtungen vom Sumatra-Beben von 2004 ermöglicht nicht die quantitative Rekonstruktion der Ausbreitung des Bruches, da die notwendigen Bedingungen in diesem Fall nicht erfüllt sind. Jedoch zeigen Experimente an synthetischen Daten die Gültigkeit eines solchen Ansatzes zur raschen Abschätzung der Bruchausbreitungseigenschaften.show moreshow less

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Metadaten
Author:Andreas Höchner
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-53166
Advisor:Stephan Vladimir Sobolev
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2010
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2011/05/24
Release Date:2011/08/11
Tag:Erdbeben; GITEWS; GPS; Rheologie; Tsunami
Earthquake; GITEWS; GPS; Rheology; Tsunami
RVK - Regensburg Classification:TZ 04110
RVK - Regensburg Classification:UT 2700
RVK - Regensburg Classification:TP 06760
RVK - Regensburg Classification:TP 6760
Organizational units:Extern / Extern
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:Parts of the thesis are published or submitted at (partly edited versions):

Hoechner, A., A. Y. Babeyko, and S. V. Sobolev (2008), Enhanced GPS inversion technique applied to the 2004 Sumatra earthquake and tsunami, Geophys. Res. Lett., 35, L08310
doi:10.1029/2007GL033133

Hoechner, A., S. V. Sobolev, I. Einarsson, and R. Wang (2011), Investigation on afterslip and steady state and transient rheology based on postseismic deformation and geoid change caused by the Sumatra 2004 earthquake, Geochem. Geophys. Geosyst., 12, Q07010
doi:0.1029/2007GL033133

Sobolev, S. V., A. Y. Babeyko, R. Wang, A. Hoechner, R. Galas, M. Rothacher, D. V. Sein, J. Schröter, J. Lauterjung, and C. Subarya (2007), Tsunami early warning using GPS-Shield arrays, J. Geophys. Res., 112, B08415
doi:10.1029/2006JB004640

Babeyko, A. Y., Hoechner, A., and Sobolev, S. V.: Source modeling and inversion with near real-time GPS: a GITEWS perspective for Indonesia, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 10, 1617-1627
doi:10.5194/nhess-10-1617-2010