Browsing by Author "Joswig, Manfred (Prof. Dr.)"

Now showing 1 - 5 of 5

Open Access
Automated parametric Rietveld refinement and its application to two dimensional X-ray powder diffraction experiments
(2011) Rajiv, Paneerselvam; Joswig, Manfred (Prof. Dr.)
Parametric Rietveld refinement has opened new possibilities to simultaneously refine multiple powder diffraction patterns collected in in situ 2D experiments; in that way the models of crystallographic variables that changes with external variables can be introduced into the refinement. The substitution of a variable with its model during the refinement has several advantages, including the improved precision of variables, direct extraction/refinement of some parameters from powder data which is otherwise impractical (e.g., activation energy), etc. The basic requirement for the realization of sequential/parametric refinements (or Whole Powder Pattern Fit-WPPF) in 2D X-ray powder diffraction (XRPD) is a robust software that handles the data and performs fast WPPF. This concern has been primarily addressed in this thesis with the help of a software, in combination with the existing total pattern analysis software (Topas). The developed software could considerably speedup and automate the sequential/parametric quantitative analysis of large number of 2D powder data, which is in general a monotonous and time consuming task. The software also provides routines that automatically determines the reconstructive phase transitions of samples from the 2D powder data and facilitates the independent refinements (or WPPFs) of the determined phases. Two practical scientific applications of parametric Rietveld refinement method have been demonstrated with the assistance of the developed program. The first application concerns the kinetic analysis of several polymorphs and polymorphs-additives mixtures of copper phthalocyanine (CuPC). The reaction rate constant and the order of reactions involving the phase transitions of various forms of CuPC were directly extracted from the isothermal experimental data by introducing the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov relation as a model of the phase fraction during the multi phase parametric Rietveld refinement. Parametric refinements could be successfully performed for most of the CuPC data collected in the experiment, however the convergence of some of the refinements showed a strong dependence on the reaction rate. In many cases, the precision of the refined parameters could be improved considerably when the data collected between the optimal time steps alone were used in the refinement. The second application demonstrates the feasibility of the parameterization of crystallite size with respect to the annealing time/temperature. Some of the data samples used in the kinetic analysis (CuPC) and the temperature dependent nanocrystalline TiO2 data were used in this demonstration. The success of the parameterization of crystallite size depended strongly on the quality of the data used, on the uniformity of the variation of the crystallite size with time/temperature and also on the correctness of the model that describes the crystallite size variation with time/temperature. This application in its present form is general; as such it can be used for stabilizing other variables during parametric refinement.
Open Access
Gefährdung von Endlagern für radioaktive Abfallstoffe durch Kleinstbeben und deren Überwachung mittels Nanoseismic Monitoring
(2018) Blascheck, Patrick; Joswig, Manfred (Prof. Dr.)
Open Access
Geodätische und fernerkundliche Beiträge zum Verständnis rutschungsinduzierter Seismizität an tonreichen Lockergesteinsrutschungen
(2018) Rothmund, Sabrina; Joswig, Manfred (Prof. Dr.)
Die Verfeinerung von passiven seismologischen Methoden ermöglicht seit 1995 die Erfassung von rutschungsinduzierter Seismizität an den kriechenden bis langsam bewegenden (nach Cruden und Varnes, 1996) tonreichen Lockergesteinsrutschungen Slumgullion (USA), Heumöser Hang (Österreich), Super-Sauze (Frankreich), Valoria (Italien) und Pechgraben (Österreich). Dabei konnten verschiedene Signaltypen beobachtet werden: (1) Slidequakes, bei denen es sich um kurzzeitige (< 2 s) impulshafte Bruchprozesse mit abgeschätzter Lokalmagnitude bis ML -3 mit Bruchlängen im Meterbereich handelt, (2) Tremore, meist deutlich schwächere Mehrfachereignisse die den ETS-(episodic slip and tremor) Signalen und den vulkanischen Tremoren ähneln sowie (3) Impaktsequenzen, generiert durch Steinschlag und Felssturz, die an Abrisskanten oder Steilhängen auftreten. Aufgrund des schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR = signal-to-noise-ratio) lassen sich weder die genaue Epizentren bzw. Hypozentren noch Momententensoren bestimmen und es ist folglich nicht möglich allein auf Basis seismischer Daten den Herdmechanismus für die rutschungsinduzierten Signale zu identifizieren. Für die Super-Sauze Hangrutschung konnte gezeigt werden, dass sich die oberflächennahe Untergrunddynamik in Form von jährlich wiederkehrenden ortsfesten spannungsorientierten Rissstrukturen an die Oberfläche durchpaust. Deshalb wird der Grundgedanke einer multidisziplinären Analyse und synoptischen Interpretation verfolgt, wobei die abgeleiteten Informationen aus den geodätischen und fernerkundlichen Beobachtungen eine wesentliche neue Informationsquelle darstellen. Für die Untersuchung des Auftretens rutschungsinduzierter Signale (Slidequakes und Tremore) sowie der Zusammenhänge zwischen diesen und den hangspezifischen Parametern Bewegung, Durchfeuchtung, Wasserinfiltration, Rissöffnung und -schließung sowie Niederschlag wurde ein achtwöchiges multidisziplinäres Feldexperiment an der Super-Sauze Hangrutschung zwischen Ende Mai und Juli 2010 durchgeführt. Die eingesetzten Untersuchungsmethoden umfassten neben Nanoseismic Monitoring, Geoelektrik, sehr hochauflösende (cm-Bereich) UAV-basierte (unmanned aerial vehicle) Luftbilderfassung und terrestrische Bildaufnahmen, dGNSS-Messungen (differential global navigation satellite system), terrestrische Laserscans (TLS = terrestrisches Laserscanning), Bodenproben zur Bestimmung des Wassergehaltes, Grundwasserspiegelmessungen sowie Wetteraufzeichnungen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche der fernerkundlichen und geodätischen Verfahren und welche abgeleiteten Parameter sich eignen, um Rückschlüsse auf das räumliche und zeitliche Auftreten von Slidequakes und Tremorsequenzen zu ziehen. Dabei bildet die Auswertung und Analyse von sehr hochauflösenden multitemporalen UAV-basierten Luftbildern sowie terrestrischen Bildsequenzen, multitemporalen rasterförmigen dGNSS-Messungen und terrestrischen Laserscans die wichtigste Datengrundlage. Im Vordergrund standen dabei die Ableitung präziser Bewegungsraten und die Quantifizierung der Rissentwicklungsprozesse sowie oberflächlicher Änderungen infolge der Hangdynamik. Aufbauend auf der multitemporalen Verschiebungsanalyse ist ein Schwerpunkt die Strainanalyse, bei der aus zeitlich und räumlich heterogenen Geschwindigkeitsvektorfeldern von dGNSS- und TLS-Messungen die oberflächlichen Deformationsraten abgeleitet werden. Die Strainratenfelder visualisieren Bereiche mit unterschiedlichen Mustern von räumlich variabler Extension und Kompression als auch Scherungsraten von Teilgebieten und weisen auf variable Spannungsänderungen hin. Aus geodätischen Beobachtungen Informationen über die Krustendeformation abzuleiten fand bereits in den 1930er Anwendung und seit den 1990ern werden zunehmend die Seismizität und geodätische Strainraten aus GNSS-Messungen z.B. für Italien, Türkei, Kalifornien und Iran zur seismischen Gefährdungsabschätzung kombiniert. Daher lag der Versuch nahe, diese Anwendungen und Beobachtungen der Krustendeformation auf den um mehr als 1000-fach kleinskaligeren Bereich von Lockergesteinsrutschungen zu übertragen und zu diskutieren. Basierend auf den dGNSS- und TLS-Messungen wurden durchschnittliche Geschwindigkeitsfelder für einen Messzeitraum von 50 Tagen abgeleitet, der für dGNSS in vier Zeitabschnitte unterteilt wurde. Die TLS-basierten Geschwindigkeitsfelder wurden durch die Anwendung des digitalen Bildkorrelations-Algorithmus COSI-Cor von Leprince et al. (2007) auf den abgeleiteten Schummerkarten ermittelt. Aufgrund der geringen Verschiebungen von etwa 30 cm für die 50 Tage und den Fehlern bei der Mosaikbildung und Co-Registrierung, war nur der Vergleich der Scans zu Beginn und Ende der Messkampagne aussagekräftig. Der Vergleich zwischen den 2D- und 3D-dGNSS-Messungen ergab eine durchschnittliche Abweichung von 0,04 cm/Tag. Da diese vernachlässigbar ist, können sich zur einfacheren Handhabung alle nachfolgenden Analysen auf die horizontalen Verschiebungen und Geschwindigkeiten beschränken. Die Analyse zeigte, dass sich der östliche 5° steilere Messbereich mit durchschnittlich 0,5 cm/Tag und der westliche Bereich mit 0,3 cm/Tag bewegte. Zwischen der zweiten und vierten Woche ist eine deutliche Beschleunigung, besonders im östlichen Bereich, erkennbar. Aus den UAV-basierten und aus den terrestrischen Bildsequenzen wurden mittels des Structure-from-Motion-Prozess (SfM) Bundler von Snavely et al. (2006) und Multi-View-Stereo (MVS) Algorithmus PMVS2 von Furukawa und Ponce (2007) sehr hochauflösende (mm-cm Punktabstand) 3D-Punktwolken rekonstruiert. Die Abweichungen aus dem Vergleich in vertikaler Richtung, die mit einer zeitkorrespondierenden TLS-Punktwolke ermittelt wurden, betrugen zwischen 8 und 17 cm. Folglich konnten die 3D-Punktwolken aufgrund der geringen Verschiebungen nicht zur Kinematikanalyse herangezogen werden. Aus den UAV-basierten Luftbildern wurden differenziell entzerrte Orthophotomosaike von 40 Tagen basierend auf Softwareskripten von Niethammer (2013) mit einer geometrischen Auflösung (GSD = ground resolution distance) von 2 cm erstellt. Durch die multitemporale Bildanalyse der UAV-basierten Orthophotomosaike und terrestrischen Bilder konnten Felsstürze und aktive sekundäre Rutschungen identifiziert werden. Zudem ließ sich die Entstehung oder Öffnung einiger Risse besonders im östlichen Bereich bei dem freiliegenden Festgesteinskamm beobachten. Allerdings gestaltete sich die Risskartierung aufgrund einer zweiwöchigen niederschlagsreichen Periode, die Sedimentumlagerungen und Rissverfüllung zur Folge hatte, sehr schwierig. 46 rutschungsinduzierte seismische Ereignisse im Messgebiet, welche aufgrund von Noise, anthropogenen, elektrischen und anderen umweltinduzierten Störsignalen nicht einfach zu identifizieren und klassifizieren sind, wurden von Dr. Naomi Vouillamoz (Institut für Geophysik, Universität Stuttgart) ausgewertet. Diese treten häufig in Clustern auf. Der Vergleich mit Grundwasserspiegel, Kinematik und den Strainratenfeldern ergab, dass diese häufig am Anfang eines Grundwasserspiegelanstieges auftreten. Dabei nimmt die Stärke der Ereignisse mit der Zeit ab. In der Regel treten alle rutschungsinduzierten Ereignisse in Bereichen mit erhöhter seismischer Momentenrate auf, die nach Savage und Simpson (1997) aus den geodätischen Beobachtungen abgeleitet wurde. Zudem treten die meisten Ereignisse dort auf, wo eine zeitliche Änderung der Strainraten erkennbar ist. Besonders die Slidequakes treten häufig in Extensionszonen auf, die zeitlich in ein heterogenes Deformationsmuster von Kompression und Extension übergehen. Diese lokalen Deformationsmuster könnten sich für die Ableitung einer schematischen Herdflächenlösung eignen. Die Mehrheit der Tremore wird in Bereichen mit erhöhten Scherungsraten beobachtet, was die These stützt, dass diese entweder auf den Gleitflächen oder durch die Scherrisse generiert werden. Eine exakte Zuordnung der verschiedenen seismischen Signaltypen zu Quellen und Quellprozessen konnte bislang nicht verifiziert werden und bleibt weiterhin ein zukünftiger Forschungspunkt.
Open Access
Temporal and spectral pattern recognition for detection and combined network and array waveform coherence analysis for location of seismic events
(2017) Sick, Benjamin; Joswig, Manfred (Prof. Dr.)
The reliable automatic detection, location and classification of seismic events still poses great challenges if only few sensors record an event and/or the signal-to-noise ratio is very low. This study first examines, compares and evaluates the most widely used algorithms for automatic processing on a diverse set of seismic datasets (e.g. from induced seismicity and nuclear-test-ban verification experiments). A synthesis of state-of-the-art algorithms is given. Several single station event detection and phase picking algorithms are tested followed by a comparison of single station waveform cross-correlation and spectral pattern recognition. Coincidence analysis is investigated afterwards to demonstrate up to which level false alarms can be ruled out in sensor networks of multiple stations. It is then shown how the use of seismic (mini) arrays in diverse configurations can improve these results considerably through the use of waveform coherence. In a second step, two concepts are presented which combine the previously analysed algorithmic building blocks in a new way. The first concept is seismic event signal clustering by unsupervised learning which allows event identification with only one sensor. The study serves as a base level investigation to explore the limits of elementary seismic monitoring with only one single vertical-component seismic sensor and shows the level of information which can be extracted from a single station. It is investigated how single station event signal similarity clusters relate to geographic hypocenter regions and common source processes. Typical applications arise in local seismic networks where reliable ground truth by a dense temporal network precedes or follows a sparse (permanent) installation. The test dataset comprises a three-month subset from a field campaign to map subduction below northern Chile, project for the seismological investigation of the western cordillera (PISCO). Due to favourable ground noise conditions in the Atacama desert, the dataset contains an abundance of shallow and deep earthquakes, and many quarry explosions. Often event signatures overlap, posing a challenge to any signal processing scheme. Pattern recognition must work on reduced seismograms to restrict parameter space. Continuous parameter extraction based on noise-adapted spectrograms was chosen instead of discrete representation by, e.g. amplitudes, onset times, or spectral ratios to ensure consideration of potentially hidden features. Visualization of the derived feature vectors for human inspection and template matching algorithms was hereby possible. Because event classes shall comprise earthquake regions regardless of magnitude, signal clustering based on amplitudes is prevented by proper normalization of feature vectors. Principal component analysis (PCA) is applied to further reduce the number of features used to train a self-organizing map (SOM). The SOM arranges prototypes of each event class in a 2D map topologically. Overcoming the restrictions of this black-box approach, the arranged prototypes can be transformed back to spectrograms to allow for visualization and interpretation of event classes. The final step relates prototypes to ground-truth information, confirming the potential of automated, coarse-grain hypocenter clustering based on single station seismograms. The approach was tested by a two-fold cross-validation whereby multiple sets of feature vectors from half the events are compared by a one-nearest neighbour classifier in combination with an euclidean distance measure resulting in an overall correct geographic separation rate of 95.1% for coarse clusters and 80.5% for finer clusters (86.3% for a more central station). The second concept shows a new method to combine seismic networks of single stations and arrays for automatic seismic event location. After exploring capabilities of single station algorithms in the section before, this section explores capabilities of algorithms for small local seismic networks. Especially traffic light systems for induced seismicity monitoring rely on the real-time automated location of weak events. These events suffer from low signal-to-noise ratios and noise spikes due to the industrial setting. Conventional location methods rely on independent picking of first arrivals from seismic wave onsets at recordings of single stations. Picking is done separately and without feedback from the actual location algorithm. With low signal-to-noise ratios and local events, the association of onsets gets error prone, especially for S-phase onsets which are overlaid by coda from previous phases. If the recording network is small or only few phases can be associated, single wrong associations can lead to large errors in hypocenter locations and magnitude. Event location by source scanning which was established in the last two decades can provide more robust results. Source scanning uses maxima from a travel time corrected stack of a characteristic function of the full waveforms on a predefined location grid. This study investigates how source-scanning can be extended and improved by integrating information from seismic arrays, i.e. waveform stacking and Fisher ratio. These array methods rely on the coherency of the raw filtered waveforms while traditional source scanning uses a characteristic function to obtain coherency from otherwise incoherent waveforms between distant stations. The short term average to long term average ratio (STA/LTA) serves as the characteristic function and single station vertical-component traces for P-phases and radial and transverse components for S-phases are used. For array stations, the STA/LTA of the stacked vertical seismogram which is furthermore weighted by the STA/LTA of the Fisher ratio, dependent on back azimuth and slowness, is utilized for P-phases. In the chosen example, the extension by array-processing techniques can reduce the mean error in comparison to manually determined hypocenters by up to a factor of 2.9, resolve ambiguities and further restrain the location.
Open Access
UAV-basierte Fernerkundungsmethoden der Aerogeophysik für die hochauflösende Beobachtung von alpinen Rutschhängen
(2013) Niethammer, Uwe; Joswig, Manfred (Prof. Dr.)
In der vorliegenden Arbeit werden aktuelle Fernerkundungsverfahren und UAV-Systeme des zivilen Bereichs der Fernerkundung vorgestellt. Sowohl die Vorzüge als auch die Einschränkungen der unterschiedlichen UAV-Systeme zur zeitlich und räumlich hochauflösenden Hang-Beobachtung im alpinen Raum werden erörtert. Am Beispiel mehrerer UAV-Pilotstudien kommen speziell zur Beobachtung von Hangrutschungen entwickelte Multi-Rotor UAV-Systeme mit optischen Sensoren zum Einsatz. Weiter werden notwendige Verfahren zur Prozessierung der optischen Luftbilder und unterschiedliche Methoden der fernerkundlichen Hangrutschungs-Analyse vorgestellt.