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

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Earthquake location by distinct constraints for sparse and doubtful data
(2018) Eisermann, Andreas Samuel; Joswig, Manfred (Prof. Dr. rer. nat.)
Earthquakes affected mankind since the days of old, claiming more human casualties than any other nature catastrophe. The determination of the hypocenter location displays one of the key subjects of seismology. Today’s standard approaches provide for trustable location estimates - given a large amount of stations with high quality data and proper assumptions about the sub-surface velocity structure. The same approaches fail, however, when this amount of stations and quality of data is not given, e.g. in the mapping of seismically active zones using low magnitude events: Here, only few stations detect the signals that sometimes barely exceed the noise level. Seismic phases appear hence unclear, rendering the information of arrival times doubtful. Another example are real-time location schemes (e.g. in Earthquake Early Warning Systems): Here, events need to be evaluated and located within fractions of seconds without knowledge of the complete waveform, and data available only from the first few stations that already detected. The objective of this thesis lies in a methodological development that provides for more accurate single event locations in the context of sparse and doubtful data. The less data is available the more the location estimate is determined and affected by the individual datum, its uncertainties and errors. The method of choice must therefore be outlier-resistant (e.g. ignore false picks) and incorporate all parameter uncertainties. When data is few, solutions may further be ambiguous (not due to errors in the input parameters, being exact solutions to a set of even ideal arrival times), meaningly: Multiple, significantly separated location candidates may exist. Also, models are usually only rough and simplified representations of the subsurface structure and will often not explain the observed data well enough. Today's standard approaches often disregard the corresponding uncertainties and, hence, often displace the hypocenter significantly to the true location - outside of the assumed error margins. Mislocations in earthquake early warning or forensic seismology may have far-reaching implications for society and on the political level. This thesis provides therefore a novel location methodology that incorporates the important uncertainties, naturally disregards outliers and thereby leads to robust hypocenter estimates. The work presented builds on the concept of (graphical) jackknifing, which contrary to most of today's standard approaches doesn't attempt to minimize the error in the over-determined system directly, but decomposes the system first into exactly- or even under-determined subsystems. This results in distinct location constraints that are based on arrival time differences between two- or three phases, only. Each constraint identifies a subset of space as possible hypocenter region. The combination of multiple constraints consecutively constrains the final hypocenter region. Since a single constraint relies on a minimum amount of phase onsets, only, solution discrepancies can be traced back to the individual phase data, which allows the data base (e.g. outliers) to be re-evaluated. The global solution is finally recomposed based on the sub-solutions deemed trustworthy, which provides robust and outlier resistant solutions. This concept is built on, supporting for three dimensional station layouts, complex velocity models and a volumetric computation, which render this approach suitable for a wide class of modern applications. A real-time methodology that regards uncertainties in phase picks, phase types and model parameters provides for robust and accurate locations when data is uncertain and sparse. New constraints are introduced, which allow to resolve ambiguities and provide for faster hypocenter and magnitude estimates in Earthquake Early Warning. A new direct search scheme is developed that integrates constraint probabilities over grid cells, which ensures the identification of sharp hypocenter regions independent of the grid's resolution, satisfying the demand for a complete search. The improvement in location quality is demonstrated using several examples ranging from gas-field low-magnitude event monitoring, forensic seismology to examples of real-time locations in Earthquake Early Warning.
Open Access
Entwicklung und Validierung eines neuen Verfahrens zur Kartierung seismisch aktiver Verwerfungen durch Kurzzeit-Kleinstbebenmessungen
(2009) Häge, Martin; Joswig, Manfred (Prof. Dr. rer. nat.)
Erdbeben stellen neben Vulkanausbrüchen eine der bedeutendsten und zugleich zerstörerischsten Naturkatastrophen geologischen Ursprungs dar. Dabei sind die Erdbeben meist an Schwächezonen, sogenannten Verwerfungszonen gebunden. Die Kenntnis über den räumlichen Verlauf dieser Verwerfungszonen ist für die Erstellung von seismischen Gefährdungskarten sowie zum besseren Verständnis von seismotektonischen Prozessen von essentieller Bedeutung. Heutzutage wird die auftretende Seismizität routinemäßig von Erdbebenobservatorien registriert. Jedoch ist aufgrund der Detektionsschwellen dieser Netzwerke von ca. ML > 2.0 ein Beobachtungszeitraum von einigen Jahren bis Jahrhunderten notwendig, um eine Kartierung von Verwerfungszonen durchführen zu können. Die Herausforderung und das Ziel der vorliegenden Arbeit waren, innerhalb einer wenigen Tage dauernden Messkampagne so viele Kleinstbeben (ML < 0.0) zu detektieren und zu lokalisieren, um daraus Aussagen über die lokale Seismizität und den Verlauf von Verwerfungszonen ableiten zu können. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn zum einen Kleinstbeben überhaupt existieren und zum anderen eine entsprechend hohe Detektions- und Messempfindlichkeit erreicht wird. Hierfür wurde ein neues Verfahren für Kampagnenplanung und für die Bestimmung des räumlichen Verlaufs einer Verwerfungszone durch eine realitätsnahe Lokalisierung entwickelt und mittels exemplarischen Feldmessungen validiert. Es nutzt die Methode des Nanoseismic Monitorings, welche ursprünglich für Zwecke der internationalen Rüstungskontrolle zur Unterstützung der On-Site-Inspections der Preparatory Commission for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization mit Sitz in Wien entwickelt wurde. Das Ziel dabei ist die Detektion und Lokalisierung von Nachbeben potentieller unterirdischer Kernexplosionen bis zu der politisch vorgegebenen Vollständigkeitsschwelle von ML = -2.0. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Methode erstmals bezüglich der Registrierung natürlicher Seismizität mit dem Ziel der Kartierung von seismisch aktiven Verwerfungen eingesetzt. Die Lokalisierung von Großbeben ist im Allgemeinen unproblematisch, da diese ein hohes Signal-Störverhältnis für eine genaue Phaseneinsatzzeitbestimmung aufweisen sowie von einer großen Anzahl von Stationen registriert werden. Die Herausforderung für die vorliegende Arbeit lag in der Auswertung und der genauen Lokalisierung von Kleinstbeben mit einem Signal-Störverhältnis von nahezu 0 dB. Aus diesem Grund war es notwendig, die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse mithilfe von Referenzdaten zu verifizieren. Ferner war zu untersuchen, ob Kleinstbeben an groß angelegte Verwerfungszonen gebunden sind oder z. B. auf Sekundäreffekte wie Setzungserscheinungen zurückzuführen sind. Deshalb war die Einbindung der gemessenen Seismizität in das jeweilige seismotektonische Regime von großer Bedeutung. Um diesen Fragestellungen nach zu gehen, wurden in unterschiedlichen geologisch-seismotektonischen Gebieten Messkampagnen durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit werden folgende Feldmessungen ausführlich beschrieben: - zwei mikroseismische Untersuchungen in der Nähe von Bullas und Coy in Südost-Spanien - Registrierung von Nachbeben des Waldkirchbebens vom 05.12.2004 - Überwachung induzierter Seismizität in Basel (Deep Heat Mining-Projekt) - Mikroseismische Untersuchung der Hintergrundseismizität bei Nový Kostel (Tschechische Republik) Für die Datenerfassung wurden bis zu drei Kleinarrays, jeweils bestehend aus vier Seismometern, eingesetzt. Die Vorteile der Benutzung von Kleinarrays sind, im Vergleich zu permanenten oder auch anderen temporären Netzwerken, der geringe logistische Messaufwand, die Portabilität, die Flexibilität und der schnelle Aufbau. Dadurch ließen sich Feldmessungen in abgelegenen Gebieten mit geringer Bodenunruhe durchführen. Um eine Aussage über die räumliche Orientierung der registrierten Erdbeben treffen zu können, wurde ein neues, auf die Ähnlichkeit von Wellenformen basierendes, Verfahren entwickelt. Dies ermöglichte die Bestimmung von einzelnen Clustern. Die Individuen dieser Cluster wurden dann relativ lokalisiert, um die Lokalisierungsgenauigkeit zu erhöhen. Eine Analyse der Magnituden-Häufigkeitsbeziehung zwischen den registrierten Mikrobeben und den lokalen Katalogdaten zeigt bei linearer Näherung eine gute Übereinstimmung in der Anzahl von Ereignissen. Die dabei erreichte Detektionsschwelle liegt, wie den Ergebnissen der Messkampagne im Vogtland bei Nový Kostel zu entnehmen ist, ca. 1 Magnitude unterhalb der des permanenten lokalen Netzwerkes.
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Seismische Untersuchung von Lockergesteins-Hangrutschungen und ihr Beitrag zum ganzheitlichen Verständnis der Hangdynamik
(2013) Walter, Marco; Joswig, Manfred (Prof. Dr. rer. nat.)
Der seit Jahren zu verzeichnende Klimawandel verursacht im immer zunehmenden Maße Massenbewegungen an Berghängen mit katastrophalen Folgen für die Bevölkerung, die Umwelt und die Natur. Neben den immensen wirtschaftlichen Schäden stellen derartige Hangbewegungen eine starke Bedrohung der in den betroffenen Regionen lebenden Menschen dar. Aus diesen Gründen werden die Erforschung derartiger Massenbewegungen und die Betrachtung aller relevanten Faktoren und Prozesse immer wichtiger, um zu einem umfassenden Verständnis dieser Bewegungsphänomene zu gelangen. Die eine Hangrutschung begünstigenden und auslösenden Prozesse werden dabei durch die Wechselwirkung hydrologischer, hydraulischer und bodenmechanischer Einflüsse auf unterschiedlichsten Zeit- und Raumskalen gesteuert. Im Rahmen der DFG-Forschergruppe „Kopplung von Strömungs- und Deformationsprozessen zur Modellierung von Großhang-bewegungen“ wird in der vorliegenden Arbeit unter Anwendung des Verfahrens Nanoseismic Monitoring das raum-zeitliche Auftreten seismisch erfassbarer Deformationsprozesse an Lockergesteins-Hangrutschungen untersucht. Die Untersuchungen wurden exemplarisch am Heumöser Kriechhang in Österreich und am Schlammstrom in Super-Sauze, Frankreich, im Rahmen einzelner Messkampagnen und durch Langzeitmonitoring durchgeführt. Dabei konnten unterschiedliche Prozesse seismisch erfasst und identifiziert werden: rutschungs-induzierte Bruchprozesse, Felsstürze, Signale durch Rissentwicklung und Frostbrüche. Der Fokus dieser Arbeit liegt im Wesentlichen in der Analyse von Bruchprozessen mit Magnituden von ML < 0.0, die in beiden Untersuchungsgebieten observiert werden konnten. Die synoptische Interpretation zeigt, dass deren Generierung maßgeblich von der jeweiligen Untergrundtopographie beeinflusst wird. Am Heumöser Hang häufen sich die Bruchprozesse in einem Hangbereich, der die geringsten Bewegungsraten an der Oberfläche zeigt, wohingegen am Schlammstrom in Super-Sauze die Mehrheit der Bruchprozesse in einem Hangbereich auftreten, in dem die höchsten Bewegungsraten an der Oberfläche observiert wurden. Die unterschiedlichen Beobachtungen können durch das Einbeziehen der jeweiligen Topographie des basalen Festgesteins begründet werden. In Super-Sauze wird die Untergrundtopographie von Festgesteinskämmen charakterisiert, die in Bewegungsrichtung des Hanges orientiert sind und das gesamte Hangmaterial kanalisieren. Im Gegensatz dazu befindet sich im Untergrund des mittleren Bereichs des Heumöser Hanges eine signifikante Festgesteinserhöhung, die mit Hilfe refraktionsseismischer Verfahren aufgelöst werden konnte. Diese Erhebung im Untergrund fungiert als eine Art Barriere, die das Hangmaterial akkumulieren lässt und somit zum einen für die geringen Bewegungsraten an der Oberfläche, als auch für die räumliche Häufung von Bruchprozessen in diesem Hangbereich verantwortlich ist. Am Schlammstrom in Super-Sauze wird diese Interpretation zusätzlich durch das verstärkte Auftreten von Rissstrukturen an der Hangoberfläche in Bereichen, wo die basalen Festgesteinskämme liegen, gestützt. Die Beobachtungen am Heumöser Hang und am Schlammstrom in Super-Sauze zeigt durch den synoptischen Vergleich mit Studien bzgl. der seismischen Erfassung von Bruchprozessen an der Slumgullion Hangrutschung (Colorado, USA), dass die Generierung von Bruchprozessen wesentlich von der Untergrund-topographie bzw. der lateralen Hangbegrenzungen beeinflusst wird. Das zeitliche Auftreten der beobachteten Hangprozesse steht dabei in keinem allgemein-gültigem Zusammenhang mit hydrologischen und geohydraulischen Einflüssen auf den jeweiligen Hangkörper. In einzelnen Messkampagnen zeigt sich zwar, dass z.B. Starkregen Hangprozesse vermehrt auslösen können, dies konnte allerdings nicht statistisch belastbar beobachtet werden. Dennoch werden im Rahmen dieser Arbeit mögliche Trigger-mechanismen analysiert und umfassend diskutiert. Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Hangprozessen konnten sowohl in Super-Sauze als auch am Heumöser Hang Signale beobachtet werden, die Felsstürzen zugeordnet werden konnten. Bei dem zerstörerischen Felssturzereignis am 10.05.2011 in der Nähe des Heumöser Hanges, wo sich ein geschätztes Volumen von 15.000 m3 aus dem massiven Felsverband löste, konnte mehrere Stunden vor dem Hauptereignis in dem Quellgebiet einzelne Signale beobachtet werden, die, vergleichbar mit den rutschungsinduzierten Bruchprozessen, als Spannungabbauprozesse und somit als ‚Vorläuferereignisse’ interpretiert wurden. Auch bei diesem großräumigen Ereignis sind die Faktoren, die letztlich den Felssturz ausgelöst haben, derzeit unbekannt.