Gravity gradients of prompt elasto-gravity signals : Aspects of their simulation and the possibility to measure them : A case study for the Tohoku-Oki earthquake

Abstract

Sobald der Bruch eines Erdbebens beginnt, fangen seismische Wellen an, sich auszubreiten. Diese verändern die Dichteverteilung in der Erde, was zu einer Änderung der Gravitation führt. Diese Änderung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und ist somit viel schneller als die seismischen Wellen. Das führt dazu, dass bereits vor dem Einsatz der P-Welle so genannte prompt elasto-gravity Signale (PEGS) mit Gravimetern und Seismometern gemessen werden können. Die Detektion dieser Signale wird allerdings dadurch erschwert, dass Gravimeter und Seismometer nicht nur die genannte Änderung der Schwere messen, sondern auch eine Bodenbeschleunigung, die durch eben diese Schwereänderung verursacht wird. Diese Signale heben sich teilweise gegenseitig auf. Daher wäre es von Vorteil, Messinstrumente zu verwenden, die sensitiv für Schwereänderungen, aber nicht für Bodenbeschleunigungen sind. Diese Eigenschaft erfüllen Gravitationsdehnungsmesser (gravity strainmeter) und Schweregradiometer (gravity gradiometer). In dieser Arbeit geht es um das Potential von Schweregradiometern für die Detektion von PEGS. Es werden zunächst zwei Methoden zur Modellierung von Schweregradienten von PEGS untersucht und getestet: Die Methode von Harms (2016), welche ein stark vereinfachtes Erdmodell verwendet, kann erfolgreich angewendet werden. Die Umsetzung einer abgewandelten Form der Normalmodensummation, mit der Schweregradienten von PEGS für ein deutlich genaueres Erdmodell berechnet werden können, scheitert hingegen an der Berechnung von Normalmoden für hohe Frequenzen. Daher wird die Methode von Harms (2016) verwendet, um Schweregradienten von PEGS für das Tohoku-Oki Beben zu simulieren. Die Ergebnisse werden mit den Rauschspektren aktueller Schweregradiometer verglichen. Es zeigt sich, dass die Detektion von PEGS des Tohoku-Oki Bebens auf Grund der unzureichenden Genauigkeit der Instrumente mit aktuellen Schweregradiometern nicht möglich gewesen wäre. Auch mit solchen Schweregradiometern, welche gerade in der Entwicklung sind, stellt sich die Detektion von PEGS als sehr schwierig heraus. Für eine eindeutige Detektion von PEGS müsste die Genauigkeit von Schweregradiometern ungefähr zehnmal höher sein als die derer, welche aktuell entwickelt werden. Zurzeit sollten daher für die Untersuchung von PEGS die Messdaten von Seismometern und Gravimetern verwendet werden. In Zukunft können eventuell außerdem Gravitationsdehnungsmesser verwendet werden. Diese werden vor allem für die Detektion von Gravitationswellen entwickelt. Ihr Potential für die Detektion von PEGS wurde bereits in anderen Arbeiten untersucht.