Integrated approaches to earthquake forecasting
Integrierte Ansätze zur Vorhersage von Erdbeben
- A comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment. The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFSA comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment. The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFS with predefined receiver mechanisms. To challenge these propositions, I utilized 289 slip inversions from the SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered-half space and variable receiver mechanisms. The analysis also investigates the impact of magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration on the ranking of stress metrics using receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results reveal the performance of stress metrics significantly improves after accounting for receiver variability and for larger aftershocks and shorter time periods, without altering the relative ranking of the different stress metrics. To corroborate Coulomb stress calculations with the findings of earthquake source studies in more detail, I studied the source properties of the 2005 Kashmir earthquake and its aftershocks, aiming to unravel the seismotectonics of the NW Himalayan syntaxis. I simultaneously relocated the mainshock and its largest aftershocks using phase data, followed by a comprehensive analysis of Coulomb stress changes on the aftershock planes. By computing the Coulomb failure stress changes on the aftershock faults, I found that all large aftershocks lie in regions of positive stress change, indicating triggering by either co-seismic or post-seismic slip on the mainshock fault. Finally, I investigated the relationship between mainshock-induced stress changes and associated seismicity parameters, in particular those of the frequency-magnitude (Gutenberg-Richter) distribution and the temporal aftershock decay (Omori-Utsu law). For that purpose, I used my global data set of 127 mainshock-aftershock sequences with the calculated Coulomb Stress (ΔCFS) and the alternative receiver-independent stress metrics in the vicinity of the mainshocks and analyzed the aftershocks properties depend on the stress values. Surprisingly, the results show a clear positive correlation between the Gutenberg-Richter b-value and induced stress, contrary to expectations from laboratory experiments. This observation highlights the significance of structural heterogeneity and strength variations in seismicity patterns. Furthermore, the study demonstrates that aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the Omori-Utsu parameters c and p systematically decrease with increasing stress changes. These partly unexpected findings have significant implications for future estimations of aftershock hazard. The findings in this thesis provides valuable insights into earthquake triggering mechanisms by examining the relationship between stress changes and aftershock occurrence. The results contribute to improved understanding of earthquake behavior and can aid in the development of more accurate probabilistic-seismic hazard forecasts and risk reduction strategies.…
- Ein umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern. Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich derEin umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern. Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Nachbebenmechanismen (Empfänger). Neueste Studien deuten darauf hin dass alternative Spannungsgrößen und Deep-Learning-Ansätze gegenüber CFS mit vordefinierten Empfängermechanismen. Um diese Ergebnisse zu hinterfragen, habe ich 289 Slip-inversion uberlegensind aus der SRCMOD-Datenbank verwendet, um realistischere CFS-Werte für einen geschichteten Halbraum und variable Empfängermechanismen zu berechnen. Dabei habe ich auch den Einfluss von Magnitudenschwellenwerten, Gittergrößenvariationen und der Nachbeben-Dauer auf die vorhersagemöglichkeiten der Spannungsmetriken unter Verwendung der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die berudzsidtizung von variablen Empfangermechanism und größere Nachbeben und kürzere Zeiträume die vorhersagekraft steigern, wobei die relative Rangfolge der verschiedenen Spannungsmetriken nicht geändert wird. Um die Coulomb Spannungsberechnungen genauer mit den Ergebnissen von Erdbebenstudien abzugleichen, habe ich die Quelleneigenschaften des Erdbebens von Kaschmir aus dem Jahr 2005 und seiner Nachbeben mit dem ziel, die Seismotektonik des NW-Himalaya Syntaxis zu entschlüsseln, detailliert untersucht. Ich habe gleichzeitig das Hauptbeben und seine größten Nachbeben unter Verwendung von seismischen Phaseneinsetzen relokalisiert und anschließend eine umfassende Analyse der Coulomb Spannungsänderungen auf den Bruchflächen der Nachbeben durchgeführt. Durch die Berechnung der Coulomb Spannungsänderungen an den während der Nachbeben aktivierten Störungen konnte ich herausfinden, dass alle großen Nachbeben in Regionen mit positiven Spannungsänderungen liegen, was auf eine Auslösung durch entweder ko-seismische oder post-seismische Verschiebungen des Hauptbebens hinweist. Schließlich habe ich die Beziehung zwischen den durch Hauptbeben verursachten Spannungsänderungen und den damit verbundenen seismischen Parametern untersucht, insbesondere denen der Häufigkeits-Magnituden (Gutenberg-Richter) Verteilung und des zeitlichen Nachbebenabklingens (Omori-Utsu-Gesetz). Zu diesem Zweck habe ich meinen globalen Datensatz von 127 Hauptbeben-Nachbeben-Sequenzen mit den in der Umgebung der Hauptbeben berechneten Coulomb Spannungen ($\Delta$CFS) zusammen mit den alternativen, empfänger-unabhängigen Spannungsmetriken, verwendet und die Eigenschaften in Abhängigkeit der Spannungswerte analysiert. Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse eine klar positive Korrelation zwischen dem $b$-Wert der Gutenberg-Richter-Verteilung und der induzierten Spannung, was im Kontrast zu den Erwartungen aus Laborexperimenten steht. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung struktureller Heterogenitäten und Festigkeitsvariationen in seismischen Mustern. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Anzahl von Nachbeben nichtlinear mit der Spannung zunimmt, während die Omori-Utsu-Parameter $c$ und $p$ systematisch mit zunehmenden Spannungsänderungen abnehmen. Diese teilweise unerwarteten Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf zukünftige Abschätzungen der Nachbebengefahr. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Erdbebenauslösung, indem sie die Beziehung zwischen Spannungsänderungen und dem Auftreten von Nachbeben untersuchen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Erdbeben bei und können bei der Entwicklung genauerer probabilistischer, seismischer Gefahreneinschätzungen und Risikominderungsstrategien helfen.…
Author details: | Shubham SharmaORCiD |
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URN: | urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636125 |
DOI: | https://doi.org/10.25932/publishup-63612 |
Subtitle (English): | insights from Coulomb stress, seismotectonics, and aftershock sequences |
Subtitle (German): | Erkenntnisse aus Coulomb-Stress, Seismotektonik und Nachbebenfolgen |
Reviewer(s): | Sebastian HainzlORCiDGND, Gert ZöllerORCiDGND, Lippiello LippielloORCiD |
Supervisor(s): | Sebastian Hainzl, Gert Zöller |
Publication type: | Doctoral Thesis |
Language: | English |
Publication year: | 2024 |
Publishing institution: | Universität Potsdam |
Granting institution: | Universität Potsdam |
Date of final exam: | 2024/05/08 |
Release date: | 2024/05/31 |
Tag: | Erdbeben; Gefahren; Seismologie; Vorhersage earthquake; forecasting; hazards; seismology |
Number of pages: | xvi, 76 |
Organizational units: | Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften |
DDC classification: | 5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften |
MSC classification: | 86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05] / 86Axx Geophysics [See also 76U05, 76V05] / 86A15 Seismology |
License (German): | Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz |