A new seismological network for Bavaria and its application to the study of meteorologically triggered earthquake swarms

Kraft, Toni (2006): A new seismological network for Bavaria and its application to the study of meteorologically triggered earthquake swarms. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

This thesis addresses to self-contained topics and is therefore structured in tow parts. The first part describes the installation of a new seismological network for Bavaria, whereas the second part focuses on the investigation of rainfall induced seismicity near Bad Reichenhall in southeastern Bavaria. Part 1 Because of the focus of the existing seismological stations on teleseismic and regional events, the capability of locating local earthquakes in various regions of Bavaria was quite limited. To overcome this situation 15 new stations were installed in the country. Additionally, six existing stations were updated to state-of-the-art technology in a second stage. The network geometry closely oriented on the seismicity of Bavaria, with densly spaced stations in areas were activity is high and promising scientific problems could be addressed. The software concept was, as far as possible, adopted from the GEOFON Project of th GeoFoschungsZentrum Potsdam (GFZ), which is already used for the German Regional Seismic Network (GRSN) and other European networks. This assures an easy data transfer with other services and allows the future incorporation of real-time data of the Bavarian network in an European and global seismological networks. Part 2 In the second part of this thesis, the focus will be laid on one of the dense sub-networks in southeastern Bavaria. Here, near the town of Bad Reichenhall, a connection between rainfall and seismicity is suggested since the early 1970ties. However, because of the lack of continuous high-quality data such a correlation could never be tested by means of a physical model. In three papers the observation of above average rainfall in 2002 and associated earthquake swarms are studied in detail. Starting with an overview paper with first location results and interpretation in Chapter 3, the discussion of cluster analysis, high-precision relocation and focal-mechanism analysis in Chapter 4, and finally by statistical modeling of the relocated seismicity by means of point process modeling and pore-pressure diffusion assuming a rate-state earthquake friction model in Chapter 5. Although, seasonal variability of seismicity related to ground water recharge and precipitation has been previously observed on regional scales, a statistically significant causal relationship between rainfall and earthquake activity for an isolated region can be shown here for the first time. The analysis of the high quality meteorological and seismic data in the Mt. Hochstaufen region yields clear evidence that tiny pore pressure changes induced by rainfall are able to trigger earthquake activity even at 4 km depth via the mechanism of fluid diffusion. Stress changes of the order of 5-13 mbar are found to trigger earthquakes. This is much less than usually produced in fluid injection experiments (several 100 bars and more), indicating an extreme sensitivity of the crust with regard to tiny changes. This might be an universal feature which can, however, only be seen in the rare occasion of an isolated but critical system, like the study area. Although, the derived focal mechanisms indicate an influence of the Saalach Fault Zone on the stress regime of the study area, the reason for the criticality of the seismogenic volume in the Mt. Hochstaufen region is not yet finally resolved. However, the high correlation between rainfall-induced pressure changes at depth and seismicity opens the possibility of forecasting future earthquake rates on the basis of rainfall data in this region. Regarding the small volume in which the earthquakes take place, the almost yearly occurring earthquake swarms and the permanent, seismo-meteorological monitoring network, Mt. Hochstaufen provides nearly controlled experimental conditions to study fluid-induced seismicity and the physics of earthquake swarms.

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei eigenständigen Themen, deshalb ist sie in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil wird der Aufbau eines neuen seismologischen Stationsnetzes für Bayern beschrieben, wohingegen der zweite Teil über die Untersuchung der durch Regen ausgelösten seismischen Aktivität bei Bad Reichenhall in Südost-Bayern berichtet. Teil 1 Im August 2005 konnte der Bayerische Erdbebendienst auf eine Geschichte von 100 Jahren zurückblicken, da am 2. August 1905 an der königlich-bayerischen Sternwarte in München-Bogenhausen die erste bayerische Erdbebenstation in Betrieb genommen wurde. In den darauf folgenden vier Jahrzehnten wurden über unterschiedlich lange Zeiträume bis zu vier weitere Erdbebenstationen in Bayern betrieben, bis 1944 kriegsbedingt der Betrieb des seismologischen Dienstes zum Erliegen kam. Ab Mitte der 1950er Jahre wurden verschiedene seismologische Projekte in Bayern begonnen. Zum einen begann die Universität München mit dem Wiederaufbau des Bayerischen Erdbebennetzes, das bis zum Jahre 2001 auf zwölf Stationen in Bayern und Österreich erweitert wurde. Die Stationen wurden nahe den bekannten Erdbebengebieten in Bayern aufgestellt, allerdings mussten sie aufgrund der begrenzten Speicherkapazität und des kleinen Übertragungsvolumens mit geringen Abtastfrequenzen und im Triggermodus betrieben werden. Einige Stationen wurden sogar bis Ende der 1990er Jahre mit Tintenregistrierung betrieben und standen erst nach einigen Tagen zur Auswertung zur Verfügung. Außerdem wurden im Zuge der Überwachung von Kernwaffentests - und später zu wissenschaftlichen Zwecken - sogenannte Arrays in Bayern installiert. Diese nutzen eine aus der Astronomie bekannte Technik, bei der einzelne Empfänger zu einer Antenne zusammengeschaltet werden, die dann mit Methoden der Signalverarbeitung auf bestimmte Beobachtungsrichtungen eingestellt werden kann. Die Instrumentierung der Arraystationen wurde so gewählt, das sie optimal zur Registrierung von Fern- und Regionalbeben, also für Erdbeben im Entfernungsbereich über 600 km, geeignet waren. Seismogramme von Beben aus diesem Entfernungsbereich setzen sich aus langwelligen Schwingungen zusammen, die im wesentlichen weniger als eine Schwingung pro Sekunde enthalten. Deshalb können die Abtastraten zur Digitalisierung dieser Daten klein sein. In Bayern erreichten sie maximal 80 Hz, was für die Aufzeichnung vieler Lokalbeben zu wenig ist. Ende des Jahres 2000 fand man in Bayern also folgende Situation vor: Die vorhandenen Erdbebenstationen waren hauptsächlich für die Registrierung von entfernten Erdbeben geeignet. Außerdem konnten die wenigen für die Aufzeichnung von Lokalbeben optimierten kurzperiodischen Messstationen aufgrund der Aufzeichnung im Triggermodus und des zu großen Stationsabstandes keine schnelle und verlässliche Erdbebenlokalisierung gewährleisten. So war es keine Ausnahme, dass gespürte Beben erst durch Anrufe besorgter Personen bei der Polizei oder am Geophysikalischen Observatorium der Universität München bekannt wurden und nur mit großer zeitlicher Verzögerung lokalisiert werden konnten. Aus dieser Situation heraus beschlossen die Universität München und das Bayerische Geologische Landesamt, einen Antrag zum Ausbau des bayerischen Erdbebennetzes bei der Bayerischen Staatsregierung einzureichen. Dieser Antrag wurde im Oktober 2000 genehmigt und der Aufbau eines Messnetzes von 21 modernen seismologischen Stationen begonnen. Die Wahl der Stationsstandorte orientierte sich eng an der bekannten Seismizität von Bayern. Bei Marktredwitz in Nordost-Bayern und bei Bad Reichenhall in Südost-Bayern wurden Subnetze von je sechs Stationen errichtet, um die in diesen Gebieten auftretenden Erdbebenschwärme zu untersuchen. Auf letztere wird im zweiten Teil der Arbeit näher eingegangen. Weitere Stationsstandorte finden sich in der Hohen Rhön (NW-Bayern), im Nördlinger Ries und im Altmühltal (Zentral-Bayern), sowie entlang des nördlichen Alpenrandes in Oberstdorf, Garmisch-Partenkirchen und Berchtesgaden. Die Stationen sind über ISDN an das Datenzentrum im Geophysikalischen Observatorium in Fürstenfeldbruck angeschlossen. Hier findet die Auswertung und die Archivierung der aufgezeichneten Daten statt. Die Daten der einzelnen Stationen werden in Form von Seismogrammbildern der letzten sechs Stunden im Internet veröffentlicht und in regelmäßigen Abständen aktualisiert (30-60 min). Eine interaktive Website erlaubt die Sichtung von Daten der letzten fünf Tage. Der Zugriff auf die Daten der letzten 90 Tage aller Stationen ist über das Datenzentrum mit wenigen Minuten Verzögerung jederzeit möglich. Das neue bayerische seimologische Netz erlaubt die echtzeitnahe Beurteilung der seismischen Aktivität und die schnelle Information von Behörden und Bevölkerung im Falle gespürter Erdbeben. Die Erhöhung der Stationsdichte sowie der Datenqualität ermöglicht es außerdem, vielseitige wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen, die von der Erdbebengefährdung Bayerns bis zur Untersuchung von regen-induzierten Erdbeben am Hochstaufen bei Bad Reichenhall reichen. Letzteres wird im zweiten Teil der Arbeit beschrieben. Teil 2 Das Gebirgsmassiv des Hochstaufen ist ein Ost-West streichender, 10 km langer Rücken, der mit seinen 1775 m Höhe markant die Umgebung überragt. Als Teil des Tirolischen Bogens der Nördlichen Kalkalpen bildet er die Grenze zur Flyschzone im Norden und ist hauptsächlich aus unter- bis mittel-triassischen Kalkformationen aufgebaut. Die Schichtung der Gesteine ist durch die Überschiebung der alpinen Decken nach Norden aufgesteilt. Geologisch nachgewiesene gravitative Massenbewegungen haben im Gipfelbereich des Berges zur Ausbildung von Großklüften geführt, die mehrere Meter geöffnet und mindesten 100 m tief sind. Nach Süden schließt sich das sedimentgefüllte Reichenhaller Becken mit salinen Serien an, das vom Staufen durch die linkslaterale Störungszone des Saalach-Westbruchs getrennt ist. Weiter südlich schließt sich als weitere kalkalpine Decke die Bechtesgadener Masse an. Das erste bekannte Erdbeben in Bayern fand am 16. Oktober 1390 bei Bad Reichenhall statt und wurde dort mit einer makroseismischen Intensität von V (MSK) wahr genommen. Beben bis zu dieser Größe ereigneten sich im Raum Bad Reichenhall im Abstand von wenigen Jahren immer wieder und wurden als Einsturzbeben aus dem Gebiet der Reiteralm südlich von Bad Reichenhall angesehen. Nach der Installation einer Erdbebenstation in der Alten Saline von Bad Reichenhall im Jahr 1972 wurde erkannt, dass sich neben den regelmäßig gefühlten Beben auch viele Mikrobeben ereignen. Diese treten gehäuft in den Sommermonaten auf, die auch die höchsten Niederschlagsmengen aufweisen. Erst in den 1980er Jahren konnte, durch die Installation eines temporären seismologischen Messnetzes, der Gebirgszug des Hochstaufen nördlich von Bad Reichenhall als Herdgebiet identifiziert werden und Einsturzbeben als Ursache für die beobachtete Seismizität ausgeschlossen werden. Wenig später konnte die Korrelation von langjährigen monatlich gemittelten Zeitreihen der Seismizität, des Niederschlages und des Grundwasserstandes nachgewiesen werden. Eine Besonderheit ist der Schwarmbebencharakter der beobachteten Seismizität. Obwohl es keine wissenschaftlich präzise Definition des Begriffes Erdbebenschwarm gibt, versteht man darunter im Allgemeinen eine Erdbebenserie bei der keine Einteilung der Seismizität in Vor-, Haupt- und Nachbeben vorgenommen werden kann. Charakteristisch ist häufig ein langsames zeitliches An- und Abklingen der seismischen Aktivität das keiner bekannten Gesetzmäßigkeit folgt. Erdbebenschwärme treten weltweit hauptsächlich in vulkanisch aktiven Regionen auf. Man vermutet deshalb, dass sie durch die Bewegung von Fluiden (Gase und/oder Flüssigkeiten) in der Erdkruste verursacht werden. Auch künstlich erzeugte Schwärme von Mikroerdbeben wurden z. B. bei der Erdölförderung und Druckversuchen in tiefen Bohrlöchern beobachtet. Mit der Installation eines Subnetzes von sechs kontinuierlich registrierenden seismologischen Stationen des in Teil 1 beschriebenen BayernNetzes im Bereich der Hochstaufen-Massives, stand ab Mitte 2001 ein Werkzeug zur hochauflösenden Untersuchung des raum-zeitlichen Seismizitätsmusters zur Verfügung. In dieser Arbeit wird im Speziellen über die Untersuchung der Seismizität im Jahr 2002 berichtet. Im März und August 2002 kam es im Raum Bad Reichenhall zu starken Regenfällen, die innerhalb von 24 h, bzw. 48 h, den jeweiligen Monatsdurchschnitt überschritten. Die Starkniederschläge im August führten zu Jahrhunderthochwassern in Mitteleuropa, die einen Schaden von 18.5 Milliarden Euro verursachten. Zeitgleich mit den Niederschlagsereignissen stieg die Anzahl der pro Tag registrierten Mikrobeben im Bereich des Hochstaufen stark an. Sie erreichten nach jeweils zehn Tagen ihr Maximum und blieben für mehrere Monate auf einem erhöhten Niveau. Der Vergleich der täglichen Erdbebenrate mit Zeitreihen des Niederschlags und des Grundwasseranstieges zeigt, dass diese auch im kleinskaligen Bereich gut übereinstimmen. Die Kreuzkorrelation der gefilterten Zeitreihen ergab sehr hohe Werte für relative Zeitversätze von 8-10 Tagen. Insgesamt wurden 1171 Mikroerdbeben registriert. Das stärkste Ereignis, am 10. April, hatte eine Lokalmagnitude von ml=2.4. Es wurden allerdings auch Beben bis zu einer Magnitude von ml=-1.6 aufgezeichnet. Aus der Häufigkeitsverteilung der Magnituden kann die Vollständigkeit des Erdbebendatensatzes für Beben einer Magnitude größer ml=-0.2 abgeleitet werden. Mit den seismologischen Stationen des BayernNetzes und drei zusätzlichen Mobilstationen konnten 546 Erdbeben lokalisiert werden, woraus sich das folgend Bild der Seismizität ergab. Der erste Erdbebenschwarm im März 2002 ereignete sich südlich des Hochstaufen nahe des Thumsees in einem kleinen Herdvolumen in ungefähr 3 km Tiefe. Die Epizentren des im August beginnenden Schwarmes waren im Gegensatz dazu diffus über das Gebirgsmassiv des Staufen verteilt. Auffällig ist eine zeitliche Verlagerung der Seismizität in die Tiefe. Diese konnte besonders deutlich am Anfang des August-Schwarmes beobachtet werden. Die Wanderung der Erdbebenherde wurde mit einem einfachen hydrodynamischen Modell untersucht. Das Coulomb-Bruchkriterium besagt, dass die Scherfestigkeit eines Materials proportional zur Normalspannung auf die potentielle Bruchfläche ist. Der Porendruck wirkt dem Normaldruck entgegen und verringert so die Scherfestigkeit. Andererseits folgt der raum-zeitliche Verlauf einer von der Oberfläche eines poro-elastischen Halbraums in die Tiefe diffundierenden Druckstörung im Zeit-Tiefen-Diagramm einer Wurzelfunktion, die von der Diffusivität des Halbraumes abhängt. Das heißt, wenn die Erdbeben durch eine Erhöhung des Porendruckes ausgelöst werden, sollte die in einem solchen Diagramm aufgetragene Seismizität hauptsächlich im Bereich erhöhten Porendrucks unter der Wurzelfunktion liegen. Die Diffusivität des Halbraumes lässt sich dann über die Anpassung der Wurzelfunktion an die beobachtete Seismizität abschätzen. Zur Anpassung der Wurzelfunktion an die Seismizität wurde ein Verfahren entwickelt, das die Diffusivität ausgehend von 0 m^2/s solange erhöht, bis sämtliche Erdbeben darunter zu liegen kommen. Der Prozentsatz der sich unter der Wurzelfunktion befindenden Erdbeben wird dann gegen die Diffusivität aufgetragen. Dabei entsteht eine Kurve, die man mit zwei Geraden annähern kann. Aus dem Schnittpunkt der Geraden erhält man die gesuchte Diffusivität. Das Verfahren wurde mit synthetischen Daten getestet und liefert zusätzlich zu früheren Verfahren eine Fehlerabschätzung für die Diffusivität. Sämtliche Schwärme des Jahres 2002 wurden mit dieser Methode untersucht. Der Nullpunkt der Wurzelfunktion wurde dabei an die Zeit des jeweiligen Regenereignisses gesetzt. Die abgeschätzte Diffusivität von 0.75 +- 0.35 m^2/s stimmt gut mit Werten aus anderer Arbeiten überein und deutet an, dass der Mechanismus der Porendruckdiffusion eine wichtige Rolle bei der Auslösung von Erdbeben im Hochstaufen spielt. Um die Ergebnisse der ersten Untersuchung zu verifizieren, wurde in einem nächsten Schritt eine hochgenaue Relokalisierung der Erdbeben des Jahres 2002 durchgeführt. Dabei wurde ausgenutzt, dass sich im beobachteten Datensatz viele Erdbeben befinden, die sehr ähnliche Seismogramme besitzen. Mit Hilfe von Kreuzkorrelations- und anschließender Clusteranalyse wurden Gruppen ähnlicher Erdbeben, sogenannte Cluster, zusammengestellt. Man kann davon ausgehen, dass solche Ereignisse räumlich sehr nahe zusammenliegen und dies zur hochgenauen Lokalisierung nutzen. Dabei wird ein Beben des Clusters zum Masterevent erklärt und die restlichen, mit Hilfe der sehr genauen relativen Einsatszeiten aus der Kreuzkorrelationsanalyse, relativ dazu lokalisiert. Die Ausdehnung der Cluster schrumpfte mit der Relokalisierung bis auf wenige 10er Meter zusammen. Allerdings liegt die berechnete Unsicherheit der relativen Lokalisierung im selben Bereich, sodass keine Interpretation der inneren Struktur der Cluster vorgenommen werden konnte. Zur Verbesserung der absolute Lokalisierungen wurden ein 3D-Geschwindigkeitsmodell erstellt. Es setzte sich aus zwei homogenen Viertelräumen zusammen, die einerseits den Flysch andererseits das Kalkalpin repräsentierten, und besaß eine realistische Topographie. Ein finite-Differenzen Algorithmus zur Laufzeitberechnung wurde in Verbindung mit einem probabilistischen Inversionsansatz zu Lokalisierung von 612 Erdbeben verwendet. Die Unsicherheit der Lokalisierung war mit einem Mittel von 200 m sehr gering und konnte durch die Kombination mit den Ergebnissen der Masterevent-Lokalisierung noch verbessert werden. Nach der Relokalisierung treten in der Seismizitätsverteilung deutliche Muster hervor. Die Erdbeben des Jahres 2002 im Staufen-Massiv fanden zwischen 1700 m üNN - d. h. mehr als 1000 m über Bad Reichenhall - und 4200 m uNN statt, wobei der Großteil unterhalb 1000 m üNN liegt. Die Erdbebenherde scheinen zwei planaren Strukturen zu folgen. Eine streicht nach Norden und fällt steil nach Westen ein, die andere streicht nach Westen und fällt sehr flach nach Süden ein. Keine der Strukturen kann jedoch eindeutig mit geologischen Strukturen in Verbindung gebracht werden. Die Raum-zeitliche Tiefenwanderung der Seismizität der früheren Lokalisierung konnte bestätigt werden. Für ausgewählte Cluster und Einzelereignisse wurden auf Grundlage der Polaritäten der Phasen P, SH und SV Herdmechanismen bestimmt. Hierzu wurden in einem Jackknife-Verfahren aus jedem Polaritäten-Datensatz neue Datensätze erzeugt, in denen jeweils eine Polaritätsbeobachtung des ursprünglichen Datensatzes weggelassen wurde. Für alle so erzeugten Datensätze eines Ereignisses oder Clusters wurde mögliche Herdmechanismen errechnet. Die Summe aller möglichen Herdmechanismen mit weniger als zwei Polaritätsfehlern und mindestens zwölf Beobachtungen wurde einer statistischen Analyse unterzogen und durch Mittelung der Normalenvektoren der Herdflächen, die bevorzugten Herdmechanismen und deren Varianz berechnet. Insgesamt konnten 25 Herdmechanismen mit eine Varianz kleiner als 20 Grad gefunden werden. Die Anzahl der abgeleiteten Mechanismen ist zu gering, um eindeutige Aussagen über die tektonischen Vorgänge im Raum Bad Reichenhall machen zu können. Sie scheinen jedoch anzudeuten, dass der Saalach Westbruch Einfluss auf das Spannungsregime des Untersuchungsgebiet hat. Entlang dieser Störung verschob sich seit dem mittleren Oligozän die Berchtesgadener Masse um 12-15 km nach Nordosten. Die errechneten Herdmechanismen lassen sich in drei Spannungsregime gliedern, die mit einer links-lateralen Verschiebung am Saalach-Westbruch in Einklang zu bringen sind. Sollte sich dieses Ergebnis durch zukünftige Untersuchungen bestätigen, könnte dies große Auswirkungen auf die seismische Gefährdungsanalyse für die Städte Bad Reichenhall und Salzburg haben, die sehr nahe an der Störung liegen. Im letzten Schritt wurde das raum-zeitliche Muster der relokalisierten Seismizität mit Hilfe eines statistisch-hydrodynamischen Modelles untersucht. Die beobachtete Seimizität wurde als stochastischer Punktprozess modelliert, welcher durch eine konditionelle Intensitätsfunktion beschrieben werden kann. Diese stellt vereinfacht gesagt die sich aus einem parametrisierten physikalischen Modell unter der Bedingung der bekannten, vorangegangenen Seismizität ergebende Ereignisrate an. Durch Maximierung der sich aus der Intensitätsfunktion ergebenden Wahrscheinlichkeitsfunktion können die optimalen Modellparameter abgeleitet werden. Die Intensitätsfunktion des modellierten Punktprozesses setzte sich aus einem konstanten Hintergrundterm und einem Porendruckterm zusammen. Letzterer gibt die Erdbebenrate an, die aus der niederschlagsbedingten Porendruckänderung in der Tiefe eines poroelastischen homogenen Halbraumes vom Rate-and-State Reibungsgesetz vorhergesagt wird. Diese Gesetz ist aus Laborversuchen abgeleitet und beschreibt die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten einer Bruchfäche von deren Verschiebungsbetrag, -rate und der Ruhekontaktzeit. Die aus dem optimierten Modell berechneten raum-zeitlichen Felder für Porendruck und Erdbebenrate stimmen sehr gut mit der beobachteten Seismizität überein. Die daraus vorhergesagte tägliche Erdbebenzahl wurde mit Hilfe der Kreuzkorrelation mit der beobachteten täglichen Erdbebenrate verglichen. Dabei wurde ein sehr hoher Korrelationskoeffizent von 0.82 ermittelt, der eine gute Anpassung des zugrunde liegenden Modelles anzeigt. Die berechneten absoluten Porendrücke im Tiefenbereich von 1-4 km liegen zwischen 5-13 mbar. Diese sind um Größenordnungen kleiner als üblicherweise bei Druckversuchen in Bohrlöchern oder bei Staudamm-induzierter Seismizität beobachtet (1-100 bar) und zeigen, dass die Erdkruste in manchen Bereichen in einem so kritischen Zustand sein kann, dass minimale Störungen ausreichen um Erdbeben zu verursachen. Abschließend kann festgestellt werden, dass es gelungen ist, einen eindeutigen Zusammenhang zwischen niederschlagsbedigten Porendruckänderungen und den Schwarmbeben am Hochstaufen bei Bad Reichenhall nachzuweisen. Berücksichtigt man, dass die Beben in einem sehr kleinen Herdvolumen stattfinden, fast jährlich auftreten und von einem dichten seismo-meteorologischen Messnetz permanent überwacht werden, erweist sich das Hochstaufen-Massiv als eine nahezu laborartige Forschungsumgebung zum Studium von Schwarmbeben und fluid-getriggerter Seismizität.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Seismology in Bavaria, seismological network of Bavaria, rainfall-triggered seismicity, Microearthquakes, earthquake swarms, Hochstaufen, Bad Reichenhall, pore pressure diffusion
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 18. August 2006
• 1. Bericht­erstatter:in: Igel, Heiner