1,721,041 research outputs found
Automated seismic event location by waveform coherence analysis
No full textAutomated location of seismic events is a very important task in microseismic monitoring operations as well for local and regional seismic monitoring. Since microseismic records are generally characterized by low signal-to-noise ratio, automated location methods are requested to be noise robust and sufficiently accurate. Most of the standard automated location routines are based on the automated picking, identification and association of the first arrivals of P and S waves and on the minimization of the residuals between theoretical and observed arrival times of the considered seismic phases. Although current methods can accurately pick P onsets, the automatic picking of the S onset is still problematic, especially when the P coda overlaps the S wave onset. In this paper, we propose a picking free earthquake location method based on the use of the short-term-average/long-term-average (STA/LTA) traces at different stations as observed data. For the P phases, we use the STA/LTA traces of the vertical energy function, whereas for the S phases, we use the STA/LTA traces of a second characteristic function, which is obtained using the principal component analysis technique. In order to locate the seismic event, we scan the space of possible hypocentral locations and origin times, and stack the STA/LTA traces along the theoretical arrival time surface for both P and S phases. Iterating this procedure on a 3-D grid, we retrieve a multidimensional matrix whose absolute maximum corresponds to the spatial coordinates of the seismic event. A pilot application was performed in the Campania-Lucania region (southern Italy) using a seismic network (Irpinia Seismic Network) with an aperture of about 150 km. We located 196 crustal earthquakes (depth < 20 km) with magnitude range 1.1 < ML < 2.7. A subset of these locations were compared with accurate manual locations refined by using a double-difference technique. Our results indicate a good agreement with manual locations. Moreover, our method is noise robust and performs better than classical location methods based on the automatic picking of the P and S waves first arrivals
A multibranch, multitarget neural network for rapid point-source inversion in a microseismic environment: examples from the Hengill Geothermal Field, Iceland
Full text linkDespite advanced seismological techniques, automatic source characterization for microseismic earthquakes remains difficult and challenging since current inversion and modelling of high-frequency signals are complex and time consuming. For real-time applications such as induced seismicity monitoring, the application of standard methods is often not fast enough for true complete real-time information on seismic sources. In this paper, we present an alternative approach based on recent advances in deep learning for rapid source-parameter estimation of microseismic earthquakes. The seismic inversion is represented in compact form by two convolutional neural networks, with individual feature extraction, and a fully connected neural network, for feature aggregation, to simultaneously obtain full moment tensor and spatial location of microseismic sources. Specifically, a multibranch neural network algorithm is trained to encapsulate the information about the relationship between seismic waveforms and underlying point-source mechanisms and locations. The learning-based model allows rapid inversion (within a fraction of second) once input data are available. A key advantage of the algorithm is that it can be trained using synthetic seismic data only, so it is directly applicable to scenarios where there are insufficient real data for training. Moreover, we find that the method is robust with respect to perturbations such as observational noise and data incompleteness (missing stations). We apply the new approach on synthesized and example recorded small magnitude (M ≤ 1.6) earthquakes at the Hellisheiði geothermal field in the Hengill area, Iceland. For the examined events, the model achieves excellent performance and shows very good agreement with the inverted solutions determined through standard methodology. In this study, we seek to demonstrate that this approach is viable for microseismicity real-time estimation of source parameters and can be integrated into advanced decision-support tools for controlling induced seismicity
Wellenfeldmethoden zur Auswertung von passiven seismischen Ozeanbodendaten
No full textIn this study different full waveform techniques was developed for the investigation of seismic ocean bottom single station data. These techniques were applied to data obtained in a pilot ocean bottom experiment in the Tyrrhenian Sea/Italy (TySea experiment) from December 2000 to May 2001. A network of broadband seven ocean bottom seismometers and seven ocean bottom hydrophones was installed above the subducting Ionian plate which descends from Southeast to Northwest. Local and teleseismic earthquakes were recorded by the stations. The newly developed techniques produce very promising results in reconstructing the sea floor structure beneath the stations and in attenuating waveform effects generated by water layer multiples. Additionally the techniques offer a possibility to determine the orientation of free fall ocean bottom seismometers. The main results are:
1. The waveform recorded at the seafloor differs from waveforms recorded at land stations. This is primarily due to multiple reflections in the water layer. These multiple reflections show different patterns on seismometer and hydrophone recordings depending on the seafloor structure. This opens the possibility to constrain the P-wave velocity structure beneath the station by means of a full waveform inversion. Seismometer and hydrophone traces of 13 local deep earthquakes were used to resolve the seafloor structure below the single stations of the experiment in terms of P-wave velocity. It was found that the average P-wave velocity of the uppermost gradient layer varies from 1630 m/s to 1690 m/s. The layer itself is 95 m to 190 m thick. The results are well determined and comparable with findings of other studies undertaken in this region of the Tyrrhenian Sea.
2. The multiple reflections of waves in the water layer also influence the analysis of teleseismic events, in receiver function studies or for tomographic studies where relative arrival times are usually estimated by cross correlation techniques. The wavefield decomposition using seismometer and hydrophone traces separates the up- and downgoing wavefield. The effects of multiple reflections can be attenuated and the signal-to-noise-ratio can be improved with a decomposition analysis. As a by-product an in situ calibration of the sensors is possible as well as the estimation of the impedance contrast at the seafloor. The impedance contrast was found to have a value of 1.1 to 1.3. With these improvements the data of land and ocean bottom stations may be combined in future.
3. In the recorded seismograms an energy signal which is mainly horizontal linearly polarized occurs between 0.4 s and 1.2 s after the P-onset from local deep earthquakes. This is interpreted as a converted P to S-wave which is trapped in the upper sediments. This energy signal is used to estimate the orientation of the ocean bottom seismometer and to resolve the seafloor structure in terms of S-wave velocity. For the TySea experiment the obtained S-wave velocity in the uppermost 10 m to 50 m deep layer is in the range of 10 m/s to 100 m/s.In dieser Arbeit wurden verschiedene vollständige Wellenformmethoden zur Untersuchung von seismischen Daten von einzelnen Ozeanbodenstationen entwickelt. Diese Methoden wurden auf Daten angewendete, die in einem Pilotprojekt im Tyrrhenischen Meer/Italien (TySea Experiment) zwischen Dezember 2000 und Mai 2001 auf dem Ozeanboden gewonnen wurden. Ein Netzwerk aus sieben Ozeanbodenseismometern und sieben Ozeanbodenhydrofonen wurde oberhalb der nach Nordwesten abtauchenden Ionischen Platte installiert. Lokale und teleseismische Erdbeben wurden auf den Stationen aufgezeichnet. Die neu entwickelten Methoden liefern vielversprechende Ergebnisse beim Rekonstruieren der Struktur des Ozeanbodens unterhalb der Stationen und beim Abschwächen von Wellenformeffekten, die durch multiple Reflexionen in der Wasserschicht entstehen. Darüber hinaus bietet die Technik eine Möglichkeit zur Bestimmung der Orientierung der ausgesetzten Ozeanbodenseismometern. Die Hauptergebnisse sind:
1. Wellenformen, welche am Ozeanboden aufgezeichnet werden, unterscheiden sich von Wellenformen, welche auf Landstationen aufgezeichnet wurden. Dies ist vor allem auf die multiplen Reflexionen in der Wasserschicht zurückzuführen. Diese multiplen Reflexionen zeigen unterschiedliches Verhalten auf den Aufzeichnungen des Seismometers und des Hydrofons, welches von der Untergrundsstruktur abhängt. Dies eröffnet die Möglichkeit, mittels einer vollständigen Wellenforminversion die Geschwindigkeitsstruktur der P-welle unterhalb der Station zu bestimmen. Seismometer- und Hydrofonspuren von 13 lokale Tiefbeben wurden dafür verwendet. Es wurde herausgefunden, dass die mittlere P-wellengeschwindigkeit für die oberste Gradientenschicht zwischen 1630 m/s und 1690 m/s variiert. Die Schicht ist zwischen 95 m und 195 m dick. Die Ergebnisse sind vertrauenswürdig und sind vergleichbar mit den Ergebnissen andere Studien, die in der Region des Tyrrhenischen Meeres durchgeführt wurden.
2. Die multiplen Reflexionen in der Wasserschicht beeinflussen auch die Auswertung von teleseismischen Erdbeben in Studien der Receiver Funktionen oder der seismischen Tomografie, bei der relative Ankunftzeiten üblicherweise durch Kreuzkorrelationtechniken bestimmt werden. Die Wellenfeldzerlegung, die Seismometer- und Hydrofonspuren verwendet, trennt hoch- und runterlaufende Wellenfelder. Die Effekte der multiplen Reflexionen können durch die Wellenfeldzerlegung abgeschwächt und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Als Nebenprodukt ist sowohl eine In-situ Kalibration der Sensoren also auch die Bestimmung des Impedanzkontrastes am Ozeanboden möglich. Es wurde ein Impedanzkontrast zwischen 1.1 und 1.3 gefunden. Mit diesen Verbesserungen ist es in Zukunft möglich, Daten von Land- und Ozeanbodenstationen zu kombinieren.
3. In den aufgezeichneten Daten von Lokalbeben taucht zwischen 0.4 s und 1.2 s nach dem P-Einsatz ein Signal auf, welches hauptsächlich horizontal linear polarisiert ist. Dieses Signal wird als eine konvertierte P zu S-welle interpretiert, die in den oberen Sedimenten eingeschlossen ist. Mit diesem Signal wurde die Orientierung der Ozeanbodenseismometer bestimmt und die Geschwindigkeitsstruktur der S-welle aufgelöst. Im TySea Experiment wurden eine S-wellengeschwindigkeit für die obersten 10 m bis 50 m von 10 m/s bis 100 m/s gefunden
Eine robuste Methode zur Abschätzung von kinematischen Erdbeben-Herdparametern
No full textAutomatic methods to determine earthquake source parameters have become essential tools in modern seismology. Currently, most such methods are based on point source (i.e. moment tensor) approximations of earthquake rupture. This simple model presents a restriction for some applications. Especially in the scope of rapid hazard assessment and tsunami early warning, automatic methods revealing more details about extension and temporal evolution of the rupture process (kinematic source parameters) are of great importance. A main problem inherent to many earlier attempts in this direction is their tendency to produce unstable and ambiguous results due to overparameterization.
The aim of the work presented in the following was to investigate the possibilities to robustly determine, based on teleseismic and regional recordings, not only point source but also kinematic earthquake source parameters. The main challenges targeted, were how to identify and prevent ambiguities and how to properly quantify uncertainties of the results.
The methodical requirements were met by a combination of several advances: A new source model has been introduced, the eikonal source, which has been especially designed to avoid overparameterization. An adaptive data weighting scheme has been proposed to gain a robust and balanced procedure with respect to heterogeneous input data. The misfit function used is based on an L1-norm between real and synthetic data to reduce the influence of outliers. Large portions of parameter-space are searched in order to detect ambiguities inherent to the specific setup of each investigated event.
To meet the computational demands of this non-linear inverse problem, I have developed a set of tools to efficiently calculate synthetic seismograms for extended earthquake source models based on pre-calculated Green's functions. Upon that, a flexible inversion framework is provided which can be tailored to various application cases on local, regional, and global scales.
In this work I explain the methodical tools which have been developed and used, and present an automatic procedure to estimate point source and kinematic source parameters for global earthquakes. It is exemplified by application to the Mw 6.3 L'Aquila earthquake of 2009. Details of the method are investigated through test applications to synthetic datasets. Finally, the usability of the method is shown by comparing several test cases with published results.Ein Ziel bei der Untersuchung von Erdbeben ist die Ermittlung von Herdparametern. Im einfachsten Fall wird der Bruchvorgang als Punktquelle beschrieben. In vielen Fällen ist man nur an den Effekten dieser ersten Näherung interessiert, hierfür existieren bereits verschiedene automatisierte Auswertungsverfahren. Die näherungsweise Betrachtung eines Erdbebens als punktförmiges Ereignis ist für bestimmte Anwendungen, wie z.B. im Rahmen von Tsunami-Frühwarnsystemen und bei der schnellen Abschätzung von Schadens-Szenarien oft unzureichend. Man möchte dort zusätzlich Informationen über Ausdehnung und zeitlichen Ablauf des Bruchprozesses aus den Beobachtungen gewinnen. Diese werden durch die kinematischen Herdparameter beschrieben. Ein Problem bei ihrer Bestimmung ist das häufige Auftreten von mehrdeutigen Lösungen, unter anderem wegen der Überparametrisierung der vorhandenen Modelle.
Ziel dieser Arbeit war es, ein robustes und automatisierbares Verfahren zum Abschätzen von kinematischen Herdparametern aus teleseismischen und regionalen Datensätzen zu entwickeln. Schwerpunkte lagen hierbei im Untersuchen von Mehrdeutigkeiten und in der Quantifizierung der Unsicherheiten der Ergebnisse.
Das Verfahren beruht auf mehreren methodischen Neuerungen: Ein neues vereinfachtes Modell für den Bruchprozess, welches die Gefahr der oben genannten Mehrdeutigkeiten minimiert, wurde vorgestellt, das sogenannte Eikonalmodell. Eine Methode zur adaptiven Gewichtung der seismischen Daten wurde entwickelt, um Fehlgewichtungen zu vermeiden. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen wurden hier die Abweichungen zwischen echten und modellierten Daten mit einer L1-Norm gemessen. Eine variable Kombination von verschiedenen Suchalgorithmen ermöglicht eine ausreichend vollständige Untersuchung des gesamten Parameterraums.
Um den numerischen Anforderungen dieses nichtlinearen Inversionsproblems gerecht zu werden, habe ich ein Softwarepaket entwickelt, mit dessen Hilfe man synthetische Seismogramme aus im voraus berechneten Greenschen Funktionen für ausgedehnte Herdmodelle effizient berechnen kann. Darauf aufbauend wurde ein flexibles System zur Umsetzung von Inversionsschemata erstellt, welches sich leicht an lokale, regionale und globale Anwendungen anpassen lässt.
Neben der detaillierten Beschreibung der Theorie des Verfahrens wird seine Funktionsfähigkeit mit Hilfe mehrerer Tests gezeigt. Die Anwendung wird anhand des Erdbebens von L'Aquila (Mw 6.3, 2009) exemplarisch dargestellt. Weitere Erdbeben mit verschiedenen Quellgeometrien werden analysiert und die Resultate mit Referenzergebnissen verglichen
MARINE GRAVIMETRIC AND MAGNETIC INVESTIGATIONS WITHIN THE AREA OF THE SOUTHEASTERN MEDITERRANEAN SEA AND THE NORTHERN SECTION OF EGYPT
No full textAutomatische Inversion langperiodischer Signale von flachen vulkanischen und induzierten seismischen Ereignissen
No full textVulkanische seismische Ereignisse, die langperiodische Signale erzeugen (LP-Events), sind wichtige Indikatoren für im Erdinneren stattfindende Fluidbewegungen. Ihre Untersuchung ist essentiell, um Gefährdungen für die Umgebung von Vulkangebieten abschätzen zu können. LP-Events treten nicht nur
an Vulkanen auf, sie sind auch in der Umgebung von Fluid-Lagerstätten und Bergwerken zu beobachten. Dort werden sie als Anzeichen für das Auftreten langsam ablaufender Deformationsprozesse gedeutet, welche in Zusammenhang mit strukturellen Inhomogenitäten stehen können und durch äußere Einwirkungen ausgelöst werden (induzierte Ereignisse). Die Interpretation solcher Ereignisse kann einen Beitrag zu seismischen Gefährdungsanalysen liefern.
Bei der Untersuchung von LP-Events hat man auf der einen Seite die lang erforschten lokalen vulkanischen Ereignisse, welche vulkantypische Charakteristika aufweisen können und in von starker Topographie und heterogenen Untergrundstrukturen geprägten Regionen vorkommen. Auf der anderen Seite findet man induzierte LP-Events, welche noch nicht der Gegenstand systematischer Untersuchungen waren.
Es existiert einerseits Software welche zur kontinuierlichen Überwachung und Auswertung von seismischen Signalen bei vulkanischen Krisen gedacht ist. Andererseits gibt es Programme, welche groß- und intermediärskalige seismische Ereignisse für bestimmte Regionen analysieren und auftretende Ereignisse katalogisieren. Bis zum aktuellen Zeitpunkt gibt es keinen systematischen Ansatz, die Untersuchungen von vulkanischen und induzierten seismischen LP-Events zu kombinieren.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Programm entwickelt, welches es erlaubt, langperiodische seismische Signale schnell und unabhängig von der vorliegenden Geometrie der betreffenden Region zu analysieren. Der zugrundeliegende Algorithmus basiert auf einer algebraischen Inversion seismischer Daten in einem Einschrittverfahren in Kombination mit einer dreidimensionalen räumlichen Gittersuche bezüglich möglicher Quellpositionen. Um die Inversion ausführen zu können, werden 18 Green’s-Funktionen (GFn) benötigt. Die GFn beinhalten Informationen über das lokale oder regional Geschwindigkeitsmodell. Sie werden für die betreffende Region im Voraus berechnet und in einer Dateistruktur bereitgestellt, was eine sehr schnelle Inversion der Daten ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen Methoden für die Inversion seismischer Daten ist im vorliegenden Ansatz die vollständige dreidimensionale Untergrundstruktur in den GFn enthalten, dies beinhaltet auch Topographie oder Anisotropien.
Die seismischen Daten können zum einen ereignisbasiert analysiert werden. Hierbei invertiert der Algorithmus Daten für eine durch ein externes (Detektions-)Programm bestimmte Quellzeit, Die Bestimmung dieser Quellzeit kann durch eine weitere Gittersuche innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls verfeinert werden. Unter Verzicht auf externe Detektion von Ereignissen kann das entwickelte Programm zum anderen auch zur schnellen Untersuchung eines kontinuierlichen Datenstroms verwendet werden. Dies wird durch die schrittweise Anwendung in einem gleitenden Zeitfenster ermöglicht. Die für jedes Zeitfenster bestimmte Lösung erlaubt eine unabhängige Detektion von Ereignissen durch den Vergleich mit einem anwendungsfallabhängigen Schwellenwert.
Der neuentwickelte Algorithmus wurde mit synthetischen und echten Daten getestet, Daten für ein- und dreidimensionale Geschwindigkeitsmodelle wurden verwendet. Der Code ist lauffähig und auf Daten anwendbar. Die Ergebnisse sind konsistent, sowohl mit Resultaten von bekannten methodischen Untersuchungen als auch mit Parametern, die von anderen Programmen im Fall der Echtdatenstudien ermittelt wurden.
Es zeigte sich, daß die Topographie einen starken Einfluß auf den Signalgehalt der GFn hat. Darum müssen vor nachfolgenden Anwendungen auf Fälle mit komplizierter Geometrie weitere Tests durchgeführt werden, welche die genauen Auswirkungen verschiedener Topographien quantifizieren können.
In dieser Arbeit wurden Fallstudien für vulkanische und induzierte LP-Events bearbei-
tet. Die Ergebnisse dieser Studien legen nahe, daß numerische Verbesserungen sowie die
Implementierung weiterer Regularisierungsparameter angeraten sind, um robuste Lösun-
gen zu gewährleisten.
Die allgemeine Funktionsfähigkeit des Algorithmus’ wurde demonstriert, sowohl für
die statische Inversion eines zeitlich begrenzten Datensatzes als auch für die Anwendung
auf kontinuierliche synthetische und reale Datensätze als selbständige Inversions- und
Detektionsroutine. Unter Einbeziehung der aufgeführten Verbesserungsmöglichkeiten kann der vorgestellte Algorithmus im Rahmen eines automatisierten, echtzeitnahen Monitoring-Systems verwendet werden.Volcanic seismic events that emit long period signals (LP-events) are considered import-
ant indicators for current subsurface fluid or magma movement. The analysis of such
events is crucial for the monitoring of volcanic regions in order to evaluate the evolution
of volcanic unrest and the relative hazard assessment. In addition, induced LP-events oc-
cur near fluid reservoirs and mining sites, where they are interpreted as evidence for slow
rupturing or deformation processes. The continuous long-term evaluation of LP-signals
in such regions can allow to infer local or regional structural inhomogeneities, which
again can contribute to seismic hazard estimations. So far, the analyses of volcanic and
induced seismic LP-events are strictly separated. Software tools are available, which are
either specialised on the monitoring of volcanic unrest or restricted to the continuous
analysis of large and medium scaled seismic events on regions with a flat topography.
A new software tool has been developed in the scope of this thesis. It allows the fast
and simple analysis of seismic LP-events, independent of the geometry and size of the
source region. The algorithm is based on an algebraic one-step time-domain inversion
of full waveform data, combined with a gridsearch for possible source locations. For
conducting the inversion, a set of 18 Green’s functions (GFs) is used that take into
account the local or regional seismic velocity model. The GFs are generated in advance
to allow a fast data processing. In contrast to other approaches, the complete infomation
about the three-dimensional structure of the underground is contained within the GFs –
this includes topography as well as anisotropies.
Seismic data can be analysed event-based, in which the source time can be determined
by an additional gridsearch in time. Without the need for an external event detection
routine it is furthermore possible to analyse continuous seismic data by applying a moving
time-window approach. Data and estimated parameters are compared for successive
overlapping time intervals. The level of agreement between them is expressed in one
value and a pre-defined threshold is utilised for the detection of LP-events.
The new algorithm has been tested under several considerations using synthetic data
sets for one- and three-dimensional geometries. The code is operational and yields results
that are consistent with former findings existing event analyses. Topography has a large
influence on the GFs, therefore special care has to be taken of the generation of GFs in
case of complex geometries.
Case studies have been carried out for both volcanic and induced seismic LP-events.
The results suggest that numerical improvements and the implementation of regularisa-
tion parameters are advisable.
The general capability of the inversion algorithm to act as an automated inversion
detection routine on continuous data is demonstrated for both synthetic and real data.
These tests show that further optimisation with respect to computational speed is re-
quired. Overcoming these limitations will allow to use the developed algorithm within
the framework of an automated monitoring system
Numerische Simulation des Magmaaufstiegs in Dykes und Krustenbildung an Spreizungszentren
No full textMittelozeanische Rücken finden sich in allen größeren Ozeanbecken der Erde. Sie besitzen die weltweit höchste Produktionsrate an Extrusiv- und Intrusivgesteinen. Bildung ozeanischer Kruste und Vulkanismus an divergenten Plattengrenzen sind fundamentale Prozesse, deren Grundverständnis wichtig ist. Magmatische Dykes bauen einen Großteil ozeanischer Kruste auf. Ihr Vorkommen ist besonders augenfällig im sogenannten Sheeted-Dyke-Komplex der oberen Kruste. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen Magmakammern und Dykes aufgrund von Spannungsfeldern untersucht. Die Ergebnisse werden zur Analyse ozeanischer Krustenbildung im allgemeinen und des Sheeted-Dyke-Komplexes im besonderen benutzt.
Da nur wenig Daten über die Geologie mittelozeanischer Rücken und den Verlauf magmatischer Prozesse verfügbar sind und analytische Modelle zumeist an der Berücksichtigung inhomogener Medien und heterogener Spannungsfelder scheitern, stellen numerische Modelle ein wichtiges Werkzeug zur weiteren Erforschung dieser Abläufe dar. Um den Aufstieg von Dykes als Fortbewegung fluidgefüllter Risse zu berechnen, wurde eine Randelementmethode verwendet.
Modelle für den Magmaaufstieg im Mantel müssen sowohl die hohen Transportgeschwindigkeiten als auch die Trennung von Schmelze und Mantelgestein zur Verhinderung chemischer Ausgleichsreaktionen und die Fokussierung des Magmas von der breiten Schmelzzone in der Tiefe zur schmalen Austrittszone an der Rückenachse leisten. In dieser Arbeit wurde der Magmatransport in Dykes simuliert und mit Modellen für Schmelzfluß im Porenraum des Mantelgesteins und in Dunitröhren verglichen.
Die Mantelkonvektion wurde durch einen sogenannten "corner flow" dargestellt. Dieser führt zur Ausbildung eines dynamischen Drucks sowie eines deviatorischen Spannungsfeldes, die neben den Auftriebskräften auf die fluidgefüllten Risse einwirken. Es stellte sich heraus, daß das deviatorische Spannungsfeld die geforderte Fokussierung der Schmelze verhindert. Die weithin bekannten Modelle für porösen Schmelzfluß sind in der Lage, diese Fokussierung nachzubilden. Sie erfüllen aber weder die Forderung nach hohen Transportgeschwindigkeiten noch der Trennung von Schmelze und Mantelgestein und vernachlässigen die Existenz des deviatorischen Spannungsfeldes völlig. Da Hinweise existieren, wonach poröser Schmelzfluß und Dykes in ähnlicher Weise auf äußere Spannungsfelder reagieren, stelle ich die Behauptung auf, daß in den Modellen für porösen Schmelzfluß die Fokussierung der Schmelze durch den Einbau des deviatorischen Spannungsfeldes ebenso unterbunden würde wie in meinem Modell für den Magmatransport in Dykes.
Da Dykes Stärke und Orientierung vorhandener Spannungsfelder lokal verändern, können sie nicht als passives Füllmaterial von Dehnungsrissen betrachtet werden. Die Parallelität der Dykes innerhalb des Sheeted-Dyke-Komplexes ist angesichts ihres Eigenspannungsfeldes, das zu einer Fokussierung und Überlagerung von Dykes führt, erstaunlich hoch. In dieser Arbeit wird erstmals eine Kombination aus Dykeaufstieg und -interaktion vor dem geologischen Hintergrund eines mittelozeanischen Rückens und seiner Kruste untersucht. Die Reaktion propagierender Risse auf das Spannungsfeld bereits aufgestiegener und in der Kruste erstarrter Dykes wird erforscht. Hierbei wird besonders auf die auffällige Einheitlichkeit des ozeanischen Krustenaufbaus an divergenten Plattengrenzen unterschiedlicher Spreizungsgeschwindigkeit, und daher verschiedener Charakteristika die Topographie und Lage von Magmakammern betreffend, eingegangen.
Ich schlage ein Modell vor, bei dem die Ursache für die Parallelität der Dykes im Sheeted-Dyke-Komplex an schnell und langsam spreizenden Rücken unterschiedlich ist, die grundsätzlichen magmatischen Prozesse aber dieselben bleiben. An schnell spreizenden Rücken bildet sich zusätzlich zum Magmareservoir an der Kruste-Mantel-Grenze eine krustale Magmakammer aus, da die schwache oder fehlende Extensionsspannung die Fokussierung und Anhäufung von Dykes begünstigt. Der Aufstiegspfad von dieser krustalen Magmakammer zum endgültigen Erstarrungssniveau der Dykes - das Niveau neutralen Auftriebs (engl. level of neutral buoyancy) - ist kurz und verhindert somit eine weitere Fokussierung. Die Dykes verbleiben senkrecht und parallel zueinander. An langsam spreizenden Rücken verhindert die herrschende regionale Extensionsspannung die Bildung einer krustalen Magmakammer, sorgt aber gleichzeitig für einen vertikalen Aufstieg der Dykes vom Reservoir an der Kruste-Mantel-Grenze bis zum Niveau neutralen Auftriebs. Somit sind auch hier die Voraussetzungen für die Ausbildung eines Sheeted-Dyke-Komplexes gegeben.
Meines Wissens wurde der Aufstieg von Magma in Dykes in Kruste und Mantel an mittelozeanischen Rücken noch nie zuvor in solcher Komplexität analysiert.Mid-ocean ridges are common topographic features found in all major ocean basins and represent the most productive sites of magma generation worldwide. Both the processes of oceanic crust formation and volcanism at divergent plate boundaries are fundamental to plate tectonics and therefore important to understand. Magma dykes are an essential element in building oceanic crust, most prominent in sheeted dyke complexes in the upper crust. In this work, the interaction of magma chambers and dykes and their stress fields is used to analyse the formation of oceanic crust and in particular sheeted dyke complexes.
Because of the sparseness of available data and the inability of analytical models to deal with inhomogeneous media and heterogeneous stress fields, numerical modelling is a vital tool to gain further insight. A boundary element method is used to simulate the ascent of dykes as fluid-filled, propagating fractures.
A model for magma ascent in the mantle should take into account the fast transport velocity of magma, the prevention of chemical re-equilibration by the separation of melt and rock and the focussing of magma from a broad melting zone at depth towards a narrow extrusion area at the spreading axis. Magma transport by fractures has been simulated and compared with models of porous melt flow and melt flow through dunite channels. The convective mantle flow was modelled by corner flow. Dynamic pressure and deviatoric stress fields arise from mantle rock deformation. Unfortunately, the deviatoric stress field prevents the focussing of fractures. Widespread models of porous melt flow lead to focussing, but satisfy neither the requirement of fast ascent velocity nor of separation of melt and mantle rock. Furthermore, they neglect the existence of the deviatoric stress field. Since there are indications that porous melt flow and dykes react in a similar manner to external stress fields, I conclude that models of porous melt flow including a deviatoric stress field in addition to a dynamic pressure gradient would not achieve a focussing of melt towards the spreading axis in analogy to the melt transport in fluid-filled fractures.
Since dykes alter the magnitude and orientation of the local stress field, they cannot be treated as passive infillings of extensional fractures. The parallelity of dykes in the sheeted dyke complex is surprising, since the dyke-induced stress fields lead to focussing and crossing of dykes. In this work, a combination of dyke propagation and dyke interaction algorithms is used. Dyke interaction is represented by the reaction of ascending dykes on the stress field caused by previous fractures arrested in the crust. The composition of mature oceanic crust is relatively uniform, although it emerges from spreading centres with different spreading rates exhibiting various characteristics in topography and location of magma chambers. This phenomenon is analysed.
A model is developed, where the low to non-existent extensional stress field at fast-spreading ridges causes the formation of a crustal magma chamber in addition to the magma reservoir at the crust-mantle boundary due to focussing of dykes. Since the ascent path from the crustal magma chamber to the level of neutral buoyancy is only short, further focussing is inhibited and dykes are aligned parallel and vertical. The regional, extensional stress field at slow-spreading ridges impedes the formation of an additional crustal magma chamber, but causes the vertical ascent of dykes from the reservoir at the crust-mantle boundary to the level of neutral buoyancy, resulting in a sheeted dyke complex.
To my knowledge, neither magma ascent in the mantle nor in the crust beneath mid-ocean ridges has previously been studied in such complexity for melt ascent by fluid-filled dykes
Inversion nach lokalen Spannungsinhomogenitäten
No full textIn this thesis, the 1997 Vogtland/NW-Bohemia swarm has been selected for the
analysis of inhomogeneities in the stress field because two predominant
nearly perpendicular flat zones of seismicity are visible in the hypocentre
distribution implying inhomogeneities in the stress field. This is unusual
compared to other swarms originating from this area. An existing dataset of
waveform data, P- and S-phase picks, and master event locations has been
analysed regarding similarity of waveforms, location refinement, and
estimation of relative moment tensors. The latter are used together with a
regional dataset of 50 single focal mechanisms and 125 focal mechanisms from
the 2000 hydraulic fracturing experiment at the KTB for an estimate of the
regional homogeneous and the locally inhomogeneous stress field.
An automated processing procedure consisting of coherence analysis,precise
relocation, relative moment tensor inversion, and stress trajectory
determination has been set up. The coherence analysis has been successfully
applied using a new method that uses three component seismograms. 457 events
are separated into 13 multiplets of similar waveforms of at least size 8.
Another result are precise relative arrival time measurements which are fed
into the precise relocation program "hypoDD". Two nearly perpendicular
structures are found in the hypocentre distribution. 352 moment tensors are
estimated using a relative moment tensor inversion. Three different algorithms to distinguish between fault plane and auxiliary plane are
successfully applied to them. A regional homogeneous stress inversion using
the focal mechanisms of the single events and selected events from the other
datasets has been applied yielding (azimuth/plunge) sigma1=(147°/9°),
sigma2=(10°/78°), and sigma3=(238°/8°). The dense population of moment
tensors for the 1997 swarm inside a volume of aproximately 1 km^3 has been
systematically subdivided using a moving box technique. A locally homogeneous
stress inversion has been applied to each subset that consists of at least 10
measurements. The resulting deviatoric stress tensors are arranged on a
regular grid and their components are smoothed using Non Uniform Rational
B-Splines (NURBS) depending on three spatial parameters. The resulting sigma1
and sigma3 trajectories are visualised by projecting part of them into the The plane structures derived from the hypocentre distribution are consistent
with the fault planes that have been selected from moment tensors and with
the patterns found in the stress trajectories. Neutral points regarding the maximum and minimum horizontal stresses, sigmaH and sigmah, respectively,are
identified. The results of this work support the model of fluid induced seismicity and migrating fluids
Einblick in die Struktur des oberen Erdmantels im Bereich des westlich-zentralen Mittelmeeres anhand seismischer Tomografie : drei Fallstudien
No full textZusammenhang zwischen fluid-induzierter Seismizität und Krustendeformation am Columbo Unterwasservulkan (Ägäisches Meer, Griechenland)
No full textJoint seismological and deformation studies are a mighty tool to study the dynamic of magmatic systems at active volcanoes. While GPS measurements and InSAR are successfully applied at onshore volcanoes, the monitoring of submarine volcanoes is mostly restricted to island based or temporary seismological measurements. We therefor developed a free fall, self leveling Ocean Bottom Tiltmeter (OBT) to observe ground deformation on the seafloor, using a two component tilt sensor with a resolution of about 15nrad. The tiltmeter is mounted on the preexisting Hamburg
Ocean Bottom Seismometer (OBS) carrier system. It is additionally equipped with a hydrophone to assess seismic data and an absolute pressure sensor to observe uplift and subsidence.
Between June 2006 and March 2007, four of these OBT systems were deployed along a profile over the slopes and on top of the Columbo Submarine Volcano. The network was completed by four OBSs in the vicinity of the seamount and additional land seismometers on the surrounding islands.
Columbo is part of the Santorini volcanic complex, located in the center of the Hellenic Volcanic Arc, Aegean Sea (Greece), approximately 8km northeast of Thira island (Santorini). The volcano has attracted attention since island based monitoring indicates a high seismicity rate clustering around the seamount and possible crustal deformation which both might represent fluid migration
in the subsurface.
Within this 10 months long local experiment, azimuthal gaps between the islands were closed and the magnitude threshold of the permanent network was significantly decreased. The installation of zero offset seismic stations on top of the volcano enabled us to derive high precise depth locations
of the earthquakes. Purpose of the study was to find evidences for swarm triggers, such as possibly fluid migration, by precisely relocating the events by means of multiple events methods. About 4000 events have been manually picked and six earthquake swarms directly occurring at Columbo have been analyzed for migration velocities of seismic fronts. Four of these swarms were classified as supposably dikeinduced, both remaining swarms as the expression of increased hydrothermal activity. Moment tensor solutions of stronger earthquakes (MW>3) were calculated to evidence our findings in terms of possible stress field perturbations induced by the postulated triggers.
Simultaneous to the seismological observations, general unrest in terms of noise increase was found on the tiltmeters for all earthquake swarms, predominantly orientated radial to the earthquake cluster centroid. For one swarm occurring close to the tiltmeter profile, strong nearfield terms were observed and successfully modeled as an ascending volume source. Both findings are discussed
exhaustively regarding a possible linkage between the seismic cluster and the origin of the deformation signals. Further points of discussion are the general technical functionality of the newly developed OBT as well as additional findings like long period deformation signals and trends suggesting the uplift of the complete region between Columbo and Santorini.
We conclude with a hypothetical model on deformation signals accompanying the ascent of a volumetric source. The hypothesis bases on our preexisting model on the pattern of dikeinduced earthquake swarms. We show, that migration velocities found by seismological observations can be
redundantly observed for the propagation of the suggested volumetric source. Finally, we evidence that our approach is sufficient to estimate source depth, ascent velocity and the crude source volume by analyzing spatial and temporal tilt maxima, as well as their amplitudes
- …
