Emmy-Noether-Projekt "Brückenschlag zwischen Geodäsie und Seismologie"

Projektziele

Tiefgreifendes Zusammenführen von satellitengestützten geodätischen Daten und teleseismischen Wellenformen zur Charakterisierung krustaler Erdbeben als ausgedehnte Bruchvorgänge

 

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Von seismische Wellenformen und Oberflächenverformungsdaten kann man Erdbebencharakteristiken unterschiedlich gut ableiten und modellieren.H. Sudhaus

 

Schon heute werden regelmässig geodätische Nahfeldmessungen von Oberflächenverformungen und teleseismische Wellenformdaten miteinander kombiniert, um Erdbebenquellen zu analsieren.

Diese Kombinationen von verschiedenartigen Daten finden bisher nicht nur zu Beginn der Analyse statt, sondern meist erst dann, wenn schon erste Ergebnisse vorliegen. Diese werden mit gleichartigen Datensätzen und etablierten Methoden gewonnen.

Das können zum Beispiel Momententensorabschätzungen aus teleseismischen Daten sein, aber auch seismische Lokalisierungen. Der Grund dafür ist, dass die Erdbebenquellanalyse eine nicht-lineare Inversion der Daten erfordert und für verschiedenartige Datensätze zur Zeit noch keine Algorithmen existieren.

Die angesprochenen ersten Ergebnisse fließen dann als Startmodelle in die meist lineare Analyse von zusätzlichen und oft kombinierten Daten ein, um höher-komplexe Modelle daraus abzuleiten.

Ein Problem dieses Verfahrens ist, dass die Endergebnisse recht stark von den Startmodellen abhängen und Modellfehler in diesem stufenweisen Verfahren vererbt werden.

Eine folgenreiche Konsequenz ist weiterhin, dass sich die Ergebnismodelle von verschiedenen Arbeitsgruppen zu ein und demselben Erdbeben oft signifikant zu unterscheiden scheinen, was ein sehr unbefriedigender Zustand für einen quantative Wissenschaft ist!

Man kann viele Beispiele dafür in der SRCMOD-Datenbank dafür finden.

In unserem Projekt möchten wir die fehlenden Werkzeuge entwickeln, um die verschiedenartigen geodätischen und seismologischen Daten von Beginn an in die Erdbebenquellanalyse mit einzubeziehen.

Diese Werkzeuge werden ein integrierter Teil der quell-offenen, seismologischen Software-Toolbox pyrocko sein und in Partnerschaft mit dem GFZ Potsdam entwickelt.

Rigorose Fehlerfortpflanzung von Datenfehlern in unseren Analysen und Entwicklung von Modellierungsstandards für Erdbebenquellparameter erster Ordnung

 

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Bayesianische Ensembles von Erdbebenmodellparametern (schwarze Punkte) und von Optimum-Modellen verschiedener Erdbebenstudien. H. Sudhaus

 

Die Ergebnisse, die wir aus den Datenanalysen gewinnen, sind nie perfekt. Bei der Beobachtung von seismischen Wellen an den global verteilten Stationen ist oft lokales Rauschen überlagert, welches Fehler in die Erdbebendaten einbringt.

Die seismischen Wellen durchlaufen außerdem weite Strecken durch die feste Erde, deren Eigenschaften uns nur bedingt genau bekannt sind. Wir benutzen Erdmodelle deren Fehler ebenfalls das Ergebnis beeinträchtigen

Des Weiteren stellen wir viele Eigenschaften der Erbebenbrüche nur modellhaft, also sehr vereinfacht dar, beispielsweise mit Bruchflächen, welche exakt planar sind und gerade Kanten haben. In anderen Worten, mit nicht perfekten Daten, Erdmodellen und Prozessrepräsentationen können wir auch nur nur ungenaue Analyseergebnisse erwarten.

Es ist daher wichtig, die Ungenauigkeit, oder besser die Qualität, der Ergebnisse möglichst realistisch abzuschätzen.

Unsicherheitsanalysen sind keine negative Kritik an Ergebnissen. Oftmals kann man nur mit ihrer Hilfe gut und weniger gut bestimmte Eigenschaften voneinander abgrenzen, was Interpretationen erleichert.

Auch die spätere numerische Weiterverwendung der Ergebnisse wird erleichtert, da auch hier Fehler weiter fortgepflanzt werden können, zum Beispiel in der geologische Interpretation, der Gefährdungsanalyse und der Erdbebensimulation. Letztlich können wir nur so die Stabiliät und die Signifikanz bestimmter Ergebnisse vertrauenswürdig belegen.

Die Fehlerbetrachtung ist wichtig in allen Bereichen des Projektes und daher übergreifend auch in den Projektpartnerschaften, wie dem SRCMOD Projekt, unseren  KAUST Partnern und der IASPEI seismic moment tensor Gruppe.

Integration von geodätischen und seismologischen Beobachtungen für ein besseres Auflösen von zerstörerischem seismischen Brechen an krustalen tektonischen Störungen und harmloserem aseismischen Kriechen

 

Hayward fault
Stetige, langsame Verschiebung von Bordsteinen durch tektonisches Kriechen an der Hayward-Störung (San Francisco) missyleone


 

In den Zeiten, in denen es noch keine modernen Satellitentechniken, wie beispielsweise globale Navigationssysteme (z.B. GPS) oder InSAR gab, war es sehr schwer langsame Bewegungen an tektonischen Störungen zu beobachten. 

Langsame Bewegungen wie postseismisches Rutschen oder Kriechen sind jedoch relevant im Gesamtbudget der tektonischen Bewegungen. Durch sie werden Spannungen in harmloser Art und Weise abgebaut und sie dadurch die Erdbebengefährdung verringert.

Wir wollen in unserem Projekt die langsamen und schnellen Bruchvorgänge in kombinierter Betrachtung und mithilfe von seismischen und geodätischen Daten besser bestimmen.

Als Beispielregion haben wir die Nord-Anatolische Verwerfungszone in der Türkei gewählt und wir kooperieren hier insbesondere mit der britischen COMET Group mit Hauptsitz an der Universität Leeds und mit dem GFZ in Potsdam.

Beide Institutionen haben ein Langzeitengagements in der Region und viel Wissen und Erfahrung gesammelt. Sie verfügen über umfangreiche Datensätze sowohl hinsichtlich der Oberflächenverformung als auch seismischer Wellenformen.

 

Aufbau eines Kataloges für ausgedehnte Erdbebenquellmodelle mit modernen Fehlerkommunikationsstrukturen

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Durch die Datenkombination werden wirin der Lage sein robuste und höherwertige Erdbebenquellmodelle bereitzustellen.

 

 

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Bayesianisches Ensemble von Modellparametern (schwarz) und Optimum-Modelllösungen verschiedener Erdbebenstudien (bunt) zeigen hier die Unsicherheiten und Abhängigkeiten in der Parametersbestimmung auf.
                                                                                                H. Sudhaus

 

Die am meisten verwendeten und damit auch wertvollsten Kataloge zu Erdbebenquellmodellen enthalten Momententensoren als Punktmodelle erster Ordnung für alle Erdbeben ab Magnitude 5 und groesser. Sie werden von den grossen seismologischen Institutionen bereitgesteilt, z. B. dem USGS (Geologischer Dienst der Vereinigten Staaten von Amerika) und Geofon (Seismologischen Datenarchiv des Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam) und enthalten Angaben zu Zeit, Ort, Magnitude und dem Mechanismus der Erdbeben (ob Überschiebung, Seitenverschiebung oder Abschiebungsbrüche vorliegen).

Mehr Information durch Kombinierung von geodätischen Daten und seismischen Wellenformen

Durch die Kombination von Boderverschiebungsdaten und seismischen Wellenformen  können wir nun auch ausgedehnte Bruchmodelle mit Nukleationspunkt für flache krustale Erdbeben robust bestimmen. Diese Modelle sind potenziell besser lokalisiert und können Aufschluss geben zu der aktivierten Störung und zur Ausdehnung des Bruches. Möglicherweise könnenn wir damit auch die Direktivität des Bruches bestimmen, d.h. in welche Richtung sich der Bruch auf der Bruchfläche ausbreitet, welche besonders für große Erdbeben gefährdungs- und damit schadensrelevant ist. Natürlich sollen in diesem Katalog auch Modellfehlerangaben kommuniziert werden, um die Weiterverwendung der Modelldaten zu unterstützen.

Aufbau eines erweiterten Erdbebenkataloges

Wir möchten während unseres Projektes mit dem Aufbau eines solchen Erdbebenkataloges mit ausgedehnten und somit realistischeren Bruchmodellen beginnen und auf eine automatisierte Modellierung hinarbeiten.

 



 

 

Entwicklung von integrierten Erdbebenanalyse-Modulen in open-source domain community software

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Beispiel eines Pyrocko-Skriptes Urheberinfo

 

Alle software-technischen Entwicklungen sollen gut dokumentiert, zeitnah, frei und nachhaltig für Forschergruppen zur Verfügung stehen. Deshalb intergrieren wir unsere Entwicklungen in die existierende, quell-offene und am GFZ in Potsdam gepflegte seismologische Toolbox pyrocko ein. 

 

Geofon

SRCMOD - Database