Energietransfertheorie zur Beschreibung von Rotationsbewegungen in der Seismologie

• Applicant: Dr. Christoph Sens-Schönfelder
• Subject Area: Geophysics
• Term: from 2009 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 140332186

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Wir führen eine Methode zur Simulation von Seismogrammenvelopen von Translations- und Rotationsbewegungen ein, die in einer deterministisch beschriebenen makroskopischen Struktur mit statistisch beschriebenen kleinskaligen Heterogenitäten die Ausbreitung der seismischen Energie beschreibt. Die allgemeine Ausbreitung der Energie wird durch die Strahlentheorie beschrieben und beinhaltet die Interaktion mit Grenzflächen (Reflektion, Transmission, Konversion) und Strahlenbiegung in Regionen mit Geschwindigkeitsgradienten. Die Behandlung der Streuprozesse basiert auf der Born-Approximation und erlaubt die Modellierung multipler anisotroper elastischer Streuung. Entgegen bisherigen Implementierungen lassen sich nicht nur die Gesamtenergien der Longitudinal- und Scherwellen simulieren sondern die Envelopen der verschiedenen Seismogrammkomponenten. Darüber hinaus lassen sich die Envelopen der Rotationsbewegungen um beliebige Raumrichtungen berechnen. Durch die Implementierung einer planaren Quelle können auch Seismogrammenvelopen teleseismischer Erdbeben modelliert werden. Der Algorithmus wurde in numerischen Tests mit Wellenfeldsimulationen verglichen und validiert. Diese Methodik wird benutzt um in einem ersten Schritt die Envelopen lokaler Schwarmbebenereignisse in Südostdeutschland zur Bestimmung von krustalen Streu- und Dämpfungsparametern zu invertieren. Hierzu verwenden wir ein Modell mit einer heterogenen Kruste, die über einem transparenten Halbraum (Mantel) liegt. Unter Nutzung einer exponentiellen Autokorrelationsfunktion ergeben sich folgende statistische Parameter zur Beschreibung der Heterogenität in der Kruste: eine Fluktuationsstärke von 3%, eine Korrelationslänge von einigen hundert Metern sowie ein Qualitätsfaktor fur S-Wellen Qs = 667. Diese Parameter sind mit den Ergebnissen anderer Untersuchungen in Mitteleuropa vergleichbar. Der auf diese Weise bestimmte Parametersatz wird für die Simulation von Translations- und Rotationsenvelopen von teleseismischen P-Einsätzen und der resultierenden Koda genutzt. Es zeigt sich, dass das mit den lokalen Daten bestimmte Modell sowohl Translationsbewegungen, als auch die mit dem Ringlaser in Wettzell aufgezeichneten Rotationsbewegungen in der teleseismische P-Koda korrekt beschreibt. Es lassen sich also Translations- und Rotationsenvelopen regionaler und teleseismischer Aufzeichnungen mit einem konsistenten Model der kleinskaligen Heterogenitäten und der intrinsischen Dämpfung in der Kruste beschreiben. Eine überraschende Erkenntnis dabei ist, dass die Energie der Longitudinal- und Scherwellen in der teleseismischen Koda nicht equipartitioniert ist. Vielmehr zeigt die Modellierung, dass die räumlich ausgedehnte Anregung durch die teleseismische Energie zu einer Dominanz in der Kruste reverberierender S-Wellen führt, die den Anteil der S-Energie über das Niveau der Equipartition hinaus steigert.

Publications

• (2012). Modeling of six-component seismogram envelopes using Radiative Transfer Theory. DGG annual meeting, 05-08 Mar 2012, Hamburg, Germany, abstract SO-P.010
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Sch¨nfelder, Michael Korn
  
• (2012). Radiative Transfer Theory – Six Component Seismogram Envelopes and Scattering Properties. Workshop on Noise and Diffuse Wavefields, 11-14 November 2012, Neustadt and der Weinstrasse, Germany, extended abstract
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Schönfelder, Michael Korn
  
• (2012). Using Radiative Transfer Theory to model six-component seismogram envelopes. EGU General Assembly 2012, 22-27 April 2012, Vienna, Austria, abstract EGU2012-9006
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Schönfelder, Michael Korn
  
• Modeling 6C-Seismogram Envelopes using Radiative Transfer Theory - Estimation of Crustal Scattering Parameters. ESC General Assembly 2012, 19-24 August 2012, Moscow, Russia, abstract ES2:P081
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Schönfelder, Michael Korn
  
• (2013). Radiative Transfer Approach to Rotational Motions – Estimation of Scattering and Attenuation Parameter. DGG annual meeting, 04-07 Mar 2013, Leipzig, Germany, abstract SO-P.021
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Schönfelder, Michael Korn
  
• (2013). The Influence of Crustal Heterogeneity on Translational and Rotational Motions using Data from Local and Teleseismic Events. EGU General Assembly 2014, 27 April - 02 Mai 2014, Vienna, Austria
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Schönfelder, Michael Korn
  
• The Radiative Transfer Approach to Rotational Motions - Estimation of Crustal Scattering Parameters. EGU General Assembly 2013, 07-12 April 2013, Vienna, Austria, abstract EGU2013-748
  Peter Gaebler, Christoph Sens-Schönfelder, Michael Korn