Entwicklung und Validierung eines neuen Verfahrens zur Kartierung seismisch aktiver Verwerfungen durch Kurzzeit-Kleinstbebenmessungen

Abstract

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.

Earthquakes are, beside volcanic eruptions, one of the most important and at the same time most devastating natural disasters of geological origin. Earthquakes are mostly linked with zones of weaknesses, so-called fault zones. It is of essential importance to have knowledge about the spatial orientation of these fault zones to create seismic hazard maps and for a better understanding of seismotectonic processes. Nowadays, seismicity is recorded routinely by earthquake observatories. However, due to the detection thresholds of these networks of about ML > 2.0, an observation period of several years to centuries is necessary to carry out a mapping of fault zones. The challenge and the aim of the present thesis were to detect and locate as many microearthquakes (ML < 0.0)within a measurement campaign lasting a few days to make a statement about the local seismicity and the course of fault zones. However, this is only possible if on the one hand microearthquakes generally exist and on the other hand if a high detection and measurement sensitivity is reached. For this purpose a new procedure for planning the campaigns and for the determination of the spatial orientation of a fault zone through a realistic location was developed and validated with exemplary field measurements. It uses the method of Nanoseismic Monitoring, which was originally developed for the purpose of international arms control to support the On-Site-Inspections of the Preparatory Commission for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization which is based in Vienna. The aim is the detection and location of aftershocks of potential underground nuclear explosions to the politically predetermined detection threshold of ML = -2.0. Within the scope of the present study, the method was applied for the first time to record natural seismicity with the aim of mapping seismically active faults. The location of large earthquakes is generally unproblematic, as they have a high signal-to-noise ratio for an accurate determination of phase onsets and are recorded by a large number of stations. The challenge of the present thesis was the analysis and the exact location of microearthquakes with a signal-to-noise ratio of almost 0 dB. Therefore it was necessary to verify the results of this study with reference data. Furthermore, it had to be investigated whether microearthquakes are linked to major fault zones or if they are caused for instance by secondary effects like subsidence phenomena. Hence the integration of the recorded seismicity in the particular seismotectonic setting was of great importance. To address these questions, several field campaigns were carried out in different geological-seismotectonic regions. In this study the following measurement campaigns are described in detail:

- two microseismic studies in the vicinity of Bullas and Coy in southeast Spain - aftershock study of the 05/12/2004 Waldkirch earthquake - monitoring induced seismicity in Basel (Deep Heat Mining project) - microseismic survey of the background seismicity near Nový Kostel (Czech Republic)

Data acquisition was performed using up to three small arrays, each consisting of four seismometers. The advantages of using small arrays compared to stationary or other temporarily installed networks are the low logistical measuring expenditure, portability, flexibility and fast assembly setup. These characteristics allowed field campaigns in remote areas, with low background noise levels. A new analysis, based on waveform similarities, was developed to draw a conclusion about the spatial orientation of the recorded events. This enabled the identification of individual clusters. Single events within these clusters were then located relatively to increase the location accuracy. An analysis of the frequency-magnitude relation between recorded microseismicity and local catalog data shows good consistency in the amount of events when using linear approximation. The achieved detection threshold is about 1 magnitude below the stationary local network as shown with the results of the measurement campaign in the Vogtland near Nový Kostel.