Retrieval of earthquake source parameters in inhomogeneous anisotropic media with application to swarm events in West Bohemia in 2000 [Elektronische Ressource] / Geoforschungszentrum Potsdam, Stiftung des Öffentlichen Rechts. Von Dirk Rößler

Rößler

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: Deutsch
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ISSN 1610-0956
Scientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamRetrieval of Earthquake Source Parameters in
Inhomogeneous Anisotropic Media with Application
to Swarm Events in WestBohemia in 2000
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwisseschaften
(Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin Geophysik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Potsdam
von
Dirk Rößler
geboren am 28.05.1976 in Leipzig
Potsdam, am 24. August 2006
Scientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamScientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamEin zarter Schrei,
ein leises Lächeln.
Kraftvoll dein Anspruch
und deine Sehnsucht nach
Leben und Geborgenheit,
deine Neugier auf
den nächsten Moment.
Vorbereitet,
alles zu erkunden
und zu erlernen,
was sich dir bieten wird,
alles in dich aufzunehmen
und mit deinem Verstand
und deinem Herzen
zu beurteilen,
dich einzusetzen,
für deine Welt.
Für K. und C.S. zum 03.01.2006
Scientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamScientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamZusammenfassung
Bisherige Standardverfahren zur Bestimmung der Mechanismen von Erdbeben ge-
hen von isotropen Gesteinseigenschaften aus. Momententensoren dienen dabei der Be-
schreibung von Kräften, die das abgestrahlte Wellenfeld erklären. Es werden in der
Regel Scherbrüche entlang von Herdflächen beobachtet. Daneben finden sich in spe-
ziellen Fällen wie in Westböhmen an der deutsch-tschechischen Grenze und anderen
vulkanisch aktiven Gebieten auch Erdbeben, die anscheinend Volumenänderung auf-
weisen (tensile Quellen).
Im Gegensatz zur Annahme seismischer Isotropie wird Anisotropie, d.h. Richtungs-
abhängigkeit elastischer Parameter, als Eigenschaft der Erdkruste und des Mantels
häufig beobachtet, wie z.B. auch in Westböhmen. Anisotropie führt im Vergleich zu
isotropenMedienzurVeränderungderWellenamplituden und-polariserungenundzum
Aufspalten von Scherwellen.
In der vorliegenden Arbeit werden der Einfluss seismischer Anisotropie auf wahre
oder scheinbar auftretende tensile Quellanteile untersucht und Erdbebenmechanismen
unter Berücksichtigung seismischer Anisotropie bestimmt. Es wird gezeigt, dass der
Momententensor und die Abstrahlmuster eines Scherbruches im anisotropen Medium
denen eines tensilen Bruches im isotropen Medium ähneln können. Umgekehrt treten
Ähnlichkeiten tensiler Beben in anisotropen Gesteinen mit Scherbrüchen in isotropen
Medien auf. Damit existieren Mehrdeutigkeiten beobachteter tensiler Quellanteile. Die
Effekte von Anisotropie hängen von der Orientierung des Bruches und vom Grad der
Anisotropie ab. Außerdem beeinflusst Anisotropie das Moment eines Bebens.
Die Orientierung von Herdflächen kann auch dann verlässlich bestimmt werden,
wenn man Isotropie statt Anisotropie annimmt und die Spektren von Kompressions-
wellen verwendet. Bei Hinzunahme der Spektren von Scherwellen treten hierbei jedoch
größere Probleme auf. Beschränkt sich Anisotropie auf das Medium in unmittelbarer
Quellnähe, können dessen elastische Eigenschaften aus Momententensoren verschieden
orientierter Beben abgeleitet werden.
Beispiele zeigen, dass die tensilen Quellanteile, welche für Schwarmbeben in West-
böhmen im Jahr 1997 beobachtet wurden, nicht allein durch moderate Anisotropie
erklärt werden können. Weiterhin wurden früher beobachtete Momententensoren in-
duzierter Beben nahe der Kontinentalen Tiefbohrung (KTB), BR Deutschland, unter
Annahme anisotroper Eigenschaften reinterpretiert. Die Beben werden einheitlich als
Scherbrüche charakterisiert, obwohl deren Momententensoren tensile Bestandteile ent-
halten, die als scheinbar angesehen werden.
Diese Resultate verdeutlichen die Notwendigkeit, seismische Anisotropie zu berück-
sichtigen, um tensile Anteile von Erdbeben eindeutig zu bestimmen. Ein daher neu
entwickelter Inversionsalgorithmus wurde getestet, erfolgreich auf 112 Erdbeben an-
gewandt und deren Herdparameter ermittelt. Dabei wurden isotrope und anisotrope
Geschwindigkeitsmodelle verwendet. Die untersuchten Beben ereigneten sich während
der letzten intensiven Schwarmepisode im Jahr 2000 in Westböhmen. Die bestimmten
Lokalmagnituden der Beben liegen zwischen 1,6 und 3,2. Die Herdflächenlösungen sind
zueinander ähnlich und durch linkslateralen Versatz auf steil einfallenden, Nord–Süd
orientiertenBruchflächengekennzeichnet. DieFallwinkelnehmenoberhalb8,4kmTiefe
an Steilheit ab.
Scientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamZusammen mit dem Momententensor, wurde die Slip Inklination, d.h. der Winkel
zwischen Bruchrichtung und der Senkrechten zur Bruchfläche, als wichtiger Parameter
zur Quantifizierung von Volumenänderungen in der Quelle abgeleitet. Für über 60%
der betrachteten Erdbeben werden tensile Quellanteile mit Volumenvergrößerung be-
obachtet. Die tensilen Komponenten zeigen Abhängigkeiten von Herdzeit und -ort. Sie
sind zu Beginn des Schwarms sowie in Tiefen unterhalb 8,4km besonders signifikant
und nehmen später an Bedeutung ab.
Abgeleitete Hauptspannungsachsen enthalten P Achsen mit nordwestlicher und T
Achsen mit südwestlicher Streichrichtung. Sie ähneln denen in Mitteleuropa. Es wer-
den tiefenabhängige Fallwinkel beobachtet. Die Änderungen erfolgen für die P Achsen
◦graduell von 50 hin zu flacheren Fallwinkeln bei tieferen Beben. Sie erfolgen jedoch
◦ ◦abrupt für die T Achsen von etwa 8 oberhalb einer Tiefe von etwa 8,4km zu 21
einfallend unterhalb dessen.
Mit dieser Arbeit werden erstmals zeitliche und räumliche Veränderungen tensiler
Quellanteile und Spannungszustände im Vogtland für Erdbeben im Jahr 2000 beob-
achtet. Diese haben auch dann Bestand, wenn seismische Anisotropie berücksichtigt
wird. Sie können durch Fluide erklärt werden, die in die Bruchflächen eindringen.
Summary
Currently used standard techniques for the retrieval of earthquake source mecha-
nisms assume isotropicrock properties. Bymeans of moment tensors, equivalent forces
acting at the source are used to explain the radiated wavefield. Usually, shear sources
have been observed. Besides, in certain areas such as in West Bohemia at the German-
Czech border and other volcanic areas earthquakes have been reported that apparently
comprise additional volumetric changes (tensile earthquakes).
In contrast to the assumption of isotropy, anisotropy, i.e. directional dependence
of elastic parameters, has been often observed as a property of the earth’s crust and
mantle, such as in West Bohemia. In comparison to isotropic media, anisotropy causes
changes in wave amplitudes and polarisations, and shear-wave splitting.
In this work, effects of seismic anisotropy on true or apparent tensile source compo-
nents of earthquakes are investigated. Earthquake source parameters are determined
considering anisotropy. It is shown that moment tensors and radiation patterns due to
shearsourcesinanisotropicmediamaybesimilartothoseoftensile sourcesinisotropic
media. Conversely, similarities between tensile earthquakes in anisotropic rocks and
shear sources in isotropic media may exist. As a consequence, the interpretation of
tensile source components is ambiguous. The effects that are due to anisotropy depend
on the orientation of the earthquake source and the degree of anisotropy. In addition,
the moment of an earthquake is influenced by anisotropy.
Theorientationoffaultplanescanbereliablydetermined even ifisotropyinstead of
anisotropy is assumed and if the spectra of the compressional waves are used. Greater
difficultiesarisewhenthespectraofshearwavesareadditionallyincluded. Ifanisotropy
isrestricted tothe region in thevicinity ofthe source, theanisotropic elastic properties
may be determined from retrieved moment tensors of differently oriented sources.
Examples show that the tensile source components determined for events in West
Bohemia in 1997 can only partly be attributed to the effects of moderate anisotropy.
Scientific Technical Report STR 06/09 GeoForschungsZentrum PotsdamFurthermore, moment tensors determined earlier for earthquakes induced at the Ger-
man Continental Deep Drilling Program (KTB) were reinterpreted under assumption
of anisotropic rock properties near the borehole. The events can be consistently identi-
fied as shear sources, although their moment tensors comprise tensile components that
are considered to be apparent.
These results show the necessity toconsider anisotropy if aunique determination of
tensile source parameters is desired. Therefore, a new inversion algorithm has been de-
veloped, tested, and successfully applied to 112 earthquakes. Their source mechanisms
have been retrieved using isotropic and anisotropic velocity models. The earthquakes
occurred during the most recent intense swarm episode in West Boh