Erdbebenlokalisierung Abschlusspräsentation Ingenieursgeophysik von Eva Leister 27.07.2012

Inhalt Motivation Begriffserklärung Herkömmliche Methoden 3D VP und VS Algorithmus Vergleich mit PANDA-Modell anhand der NMSZ Fazit

1. Motivation Zuverlässige und schnelle Erdbebenlokalisierungen für Aussagen über seismische Gefahren für Regionen Überbrückung der Diskrepanz zwischen vorhandenen Geschwindigkeitsmodellen und der wahren Erde Vereinfachte Modelle geben nur begrenzt Auskunft über die Tiefe des Erdbebenherdes

2. Begriffserklärung Hypozentrum: Punkt von dem ein Beben ausgeht (Bebenherd) Epizentrum: senkrechte Projektion des Hypozentrums auf die Erdoberfläche P-Wellen (Primärwellen): Longitudinalwelle, die als erstes beim Seismograf antrifft (Entfernung einige 100km4-8 km/s) S-Wellen (Sekundärwellen): Transversalwelle; Verscherung, kann sich nur in Festkörpern ausbreiten ( 2-4,5 km/s)

3. Herkömmliche Methoden Bestimmung des Epizentrums (2D) Mindestens 3 Stationen zur Lokalisierung sind notwendig Zeitunterschied vom Eintreffen der P- und S-Wellen gibt Aufschluss über die Entfernung der Station vom Epizentrum

3. Herkömmliche Methoden Entfernungen mit Hilfe von Kreisen um die Stationen eintragen Gemeinsamer Schnittpunkt =Epizentrum

3. Herkömmliche Methoden JHD (Joint hypocenter determination): Neuberechnung von Erdbebenclustern mit Hilfe von Ankunftszeiten  P- und S-Wellen Korrektur geben Aufschluss über Geschwindigkeitsabweichungen in der Region DD (double difference): Kreuzkorrelation der Wellenformen zur Minimierung der Fehler in den Ankunftszeiten + Betrachtung der relativen Unterschiede der Ankunftszeiten  Verbesserung der Erdbebenlokalisierung

4. 3D Vp und VS Algorithmus Erweiterung der Geigermethode Erstellung eines Gittermodels mit Hilfe der seismischen Tomographie zu Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung  In jeder Zelle sind die Geschwindigkeiten der P-und S-Wellen konstant  dazugehörige Strahlen sind gerade Linien Lokalisierung des Hypozentrums in einer der Zellen mit herkömmlichen 3D Raytracing-Methoden  Ermittlung der Laufzeiten und Information über die Wellen über lineare Interpolation der Daten an den 8 benachbarten Gitterpunkten Jedes einzelne Erdbeben in der Region kann über diesen Algorithmus und das 3D-Geschwindigkeitsmodell lokalisiert werden

4. 3D Vp und VS Algorithmus Matrixnotation: n: Anzahl der Stationen 𝛾: Abweichung der gemessenen Zeit von der tatsächlichen Laufzeit

4. 3D Vp und VS Algorithmus Auflösung der Gleichung nach x mit Hilfe von der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, Singulärwertzerlegung, Levenberg-Marquardt-Algorithmus, Singulärwertzerlegung 𝑥=𝑉( Λ 2 + Θ 2 𝐼 ) −1 Λ 𝑈 𝑇 𝛿𝑡 Iteration der Ergebnisse

5. Vergleich mit PANDA-Modell PANDA (Portable Array for Numerical Data Acquistion) Experimente zwischen 1989 – 1992 und 1995 – 2001 PANDA-Geschwindigkeitsmodell: dünne Sedimentschicht (650m) mit extrem niedrigen P-und S-Wellengeschwindigkeiten; darunter 5 homogene Krustenschichten und ein oberer Mantel Daten von der NMSZ ( New Madrid Seismic Zone)

5. Vergleich mit PANDA-Modell PANDA Stationen seit 1989

5. Vergleich mit PANDA-Modell Erdbeben (1989-2000) lokalisiert mit PANDA-Modell Neuberechnete Epizentren der Beben von 1989-2000 mit Hilfe des 3D VP und VS Algorithmus

5. Vergleich mit PANDA-Modell AA‘ : Nordostabschnitt Dicke der Sedimentschicht geringer als im PANDA-Modell  PANDA-Werte liegen höher +: PANDA-Modell ○: 3D VP und VS Modell

5. Vergleich mit PANDA-Modell ○: 3D VP und VS Modell BB‘: Central NMSZ Sedimentschichtdicke gleich der im PANDA-Modell Modelle liegen recht nah beieinander

5. Vergleich mit PANDA-Modell ○: 3D VP und VS Modell CC‘: Südwestabschnitt Sedimentschicht dicker als im PANDA-Modell  PANDA-Werte liegen tiefer

6. Fazit Erde besteht nicht aus homogenen Schichten Es gibt noch kein perfektes Modell Das 3D VP und VS Algorithmus ist auch für regionale Erdbebenlokalisierung anwendbar Verbesserung durch größere räumlich Abdeckung mit feineren Gittern Zukünftige 3D-Geschwindigkeitsmodelle können an dem 3D VP und VS Algorithmus anknüpfen Schnelle Computer mit hohen Rechenleistungen sind notwendig

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Quellen http://www.erdbeben-in-bayern.de/erdbebenkunde/lokalisierung http://www.bssaonline.org/content/96/1/288.full.pdf+html