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AIC-based diffraction stacking for local earthquake locations at the Sumatran Fault (Indonesia)
(2018)
We present a new workflow for the localization of seismic events which is based on a diffraction stacking approach. In order to address the effects from complex source radiation patterns, we suggest to compute diffraction stacking from a characteristic function (CF) instead of stacking the original waveform data. A new CF, which is called in the following mAIC (modified from Akaike Information Criterion) is proposed. We demonstrate that both P- and S-wave onsets can be detected accurately. To avoid cross-talk between P and S waves due to inaccurate velocity models, we separate the P and S waves from the mAIC function by making use of polarization attributes. Then, the final image function is represented by the largest eigenvalue as a result of the covariance analysis between P-and S-image functions. Results from synthetic experiments show that the proposed diffraction stacking provides reliable results. The workflow of the diffraction stacking method was finally applied to local earthquake data from Sumatra, Indonesia. Recordings from a temporary network of 42 stations deployed for nine months around the Tarutung pull-apart basin were analysed. The seismic event locations resulting from the diffraction stacking method align along a segment of the Sumatran Fault. A more complex distribution of seismicity is imaged within and around the Tarutung basin. Two lineaments striking N-S were found in the centre of the Tarutung basin which support independent results from structural geology.
Indonesien zählt zu den weltweit führenden Ländern bei der Nutzung von geothermischer Energie. Die geothermischen Energiequellen sind im Wesentlichen an den aktiven Vulkanismus gebunden, der durch die Prozesse an der indonesischen Subduktionszone verursacht wird. Darüber hinaus sind geotektonische Strukturen wie beispielsweise die Sumatra-Störung als verstärkende Faktoren für das geothermische Potenzial von Bedeutung. Bei der geophysikalischen Erkundung der indonesischen Geothermie-Ressourcen konzentrierte man sich bisher vor allem auf die Magnetotellurik. Passive Seismologie wurde dahingegen ausschließlich für die Überwachung von im Betrieb befindlichen Geothermie-Anlagen verwendet. Jüngste Untersuchungungen z.B. in Island und in den USA haben jedoch gezeigt, dass seismologische Verfahren bereits in der Erkundungsphase wichtige Informationen zu den physikalischen Eigenschaften, zum Spannungsfeld und zu möglichen Fluid- und Wärmetransportwegen liefern können. In der vorgelegten Doktorarbeit werden verschiedene moderne Methoden der passiven Seismologie verwendet, um beispielhaft ein neues, von der indonesischen Regierung für zukünftige geothermische Energiegewinnung ausgewiesenes Gebiet im nördlichen Teil Sumatras (Indonesien) zu erkunden. Die konkreten Ziele der Untersuchungen umfassten (1) die Ableitung von 3D Strukturmodellen der P- und S-Wellen Geschwindigkeiten (Parameter Vp und Vs), (2) die Bestimmung der Absorptionseigenschaften (Parameter Qp), und (3) die Kartierung und Charakterisierung von Störungssystemen auf der Grundlage der Seismizitätsverteilung und der Herdflächenlösungen. Für diese Zwecke habe ich zusammen mit Kollegen ein seismologisches Netzwerk in Tarutung (Sumatra) aufgebaut und über einen Zeitraum von 10 Monaten (Mai 2011 – Februar 2012) betrieben. Insgesamt wurden hierbei 42 Stationen (jeweils ausgestattet mit EDL-Datenlogger, 3-Komponenten, 1 Hz Seismometer) über eine Fläche von etwa 35 x 35 km verteilt. Mit dem Netzwerk wurden im gesamten Zeitraum 2568 lokale Erdbeben registriert. Die integrierte Betrachtung der Ergebnisse aus den verschiedenen Teilstudien (Tomographie, Erdbebenverteilung) erlaubt neue Einblicke in die generelle geologische Stukturierung sowie eine Eingrenzung von Bereichen mit einem erhöhten geothermischen Potenzial. Das tomographische Vp-Modell ermöglicht eine Bestimmung der Geometrie von Sedimentbecken entlang der Sumatra-Störung. Für die Geothermie besonders interessant ist der Bereich nordwestlich des Tarutung-Beckens. Die dort abgebildeten Anomalien (erhöhtes Vp/Vs, geringes Qp) habe ich als mögliche Aufstiegswege von warmen Fluiden interpretiert. Die scheinbar asymetrische Verteilung der Anomalien wird hierbei im Zusammenhang mit der Seismizitätsverteilung, der Geometrie der Beben-Bruchflächen, sowie struktur-geologischen Modellvorstellungen diskutiert. Damit werden wesentliche Informationen für die Planung einer zukünftigen geothermischen Anlage bereitgestellt.
The geothermal potential in Tarutung is controlled by both the Sumatra Fault system and young arc volcanism. In this study we use the spatial distribution of seismic attenuation, calculated from local earthquake recordings, to image the 3-D seismic attenuation of the area and relate it with the temperature anomalies and the fluid distribution of the subsurface. A temporary seismic network of 42 stations was deployed around Tarutung and Sarulla (south of Tarutung) for a period of 10 months starting in 2011 May. Within this period, the network recorded 2586 local events. A high-quality subset of 229 events recorded by at least 10 stations was used for the attenuation inversion (tomography). Path-average attenuation (t(p)*) was calculated by using a spectral inversion method. The spread function, the contour lines of the model resolution matrix and the recovery test results show that our 3-D attenuation model (Q(p)) has good resolution around the Tarutung Basin and along the Sarulla graben. High attenuation (low Q(p)) related to the geothermal system is found in the northeast of the Tarutung Basin suggesting fluid pathways from below the Sumatra Fault. The upper part of the studied geothermal system in the Tarutung district seems to be mainly controlled by the fault structure rather than by magmatic activities. In the southwest of the Tarutung Basin, the high attenuation zone is associated with the Martimbang volcano. In the Sarulla region, a low-Q(p) anomaly is found along the graben within the vicinity of the Hopong caldera.
The Tarutung Basin is located at a right step-over in the northern central segment of the dextral strike-slip Sumatran Fault System (SFS). Details of the fault structure along the Tarutung Basin are derived from the relocations of seismicity as well as from focal mechanism and structural geology. The seismicity distribution derived by a 3D inversion for hypocenter relocation is clustered according to a fault-like seismicity distribution. The seismicity is relocated with a double-difference technique (HYPODD) involving the waveform cross-correlations. We used 46,904 and 3191 arrival differences obtained from catalogue data and cross-correlation analysis, respectively. Focal mechanisms of events were analyzed by applying a grid search method (HASH code). Although there is no significant shift of the hypocenters (10.8 m in average) and centroids (167 m in average), the application of the double difference relocation sharpens the earthquake distribution. The earthquake lineation reflects the fault system, the extensional duplex fault system, and the negative flower structure within the Tarutung Basin. The focal mechanisms of events at the edge of the basin are dominantly of strike-slip type representing the dextral strike-slip Sumatran Fault System. The almost north south striking normal fault events along extensional zones beneath the basin correlate with the maximum principal stress direction which is the direction of the Indo-Australian plate motion. The extensional zones form an en-echelon pattern indicated by the presence of strike-slip faults striking NE SW to NW SE events. The detailed characteristics of the fault system derived from the seismological study are also corroborated by structural geology at the surface. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.