In this study, seismic interferometry is used to analyze dynamic processes in the Earth’s shallow subsurface caused by environmental processes and ground shaking. In the first part of the thesis, the feasibility of a passive monitoring with ambient seismic noise at the pilot site for CO2 injection in Ketzin is investigated. Monitoring the expansion of the CO2 plume is essential for the characterization of the reservoir as well as the detection of potential leakage. From June 2008 until August 2013, more than 67000 tons of CO2 were injected into a saline aquifer at a depth of about 650 m. Passive seismic data recorded at a seismic network around the injection site was cross-correlated in a frequency range of 0.5-4.5 Hz over a period of 4 years. The frequency band of 0.5-0.9 Hz, in which surface waves exhibit a high sensitivity at the depth of the reservoir, is not suitable for monitoring purposes as it is only weakly excited. In a frequency range of 1.5-3 Hz, periodic velocity variations with a period of approximately one year are found that cannot be caused by the CO2 injection. The prominent propagation direction of the noise wave field indicates a wind farm as the dominant source providing the temporally stable noise field. This spacial stability excludes variations of the noise source distribution as a spurious cause of velocity variations. Based on an amplitude decrease associated with time windows towards later parts of the coda, the variations must be generated in the shallow subsurface. A comparison to groundwater level data reveals a direct correlation between depth of the groundwater level and the seismic velocity. The influence of ground frost on the seismic velocities is documented by a sharp increase of velocity when the maximum daily temperature stays below 0 C. Although the observed periodic changes and the changes due to ground frost affect only the shallow subsurface, they mask potential signals of material changes from the reservoir depths. To investigate temporal seismic velocity changes due to earthquake-related processes and environmental forcing in northern Chile, 8 years of ambient seismic noise recorded by the Integrated Plate Boundary Observatory Chile (IPOC) are analyzed. By autocorrelating the ambient seismic noise field, approximations of the Green’s functions are retrieved and velocity changes are measured with Coda Wave Interferometry. At station PATCX, seasonal changes of seismic velocity caused by thermal stress as well as transient velocity reductions are observed in the frequency range of 4-6 Hz. Sudden velocity drops occur at times of mostly earthquake-induced ground describing the seismic velocity variations based on continuous observations of the local ground acceleration. The model assumes that not only the shaking of large earthquakes causes velocity drops, but any small vibrations continuously induce minor velocity variations that are immediately compensated by healing in the steady state. The shaking effect is accumulated over time and best described by the integrated envelope of the ground acceleration over one day, which is the temporal resolution of the velocity measurements. In the model, the amplitude of the velocity reduction as well as the recovery time are proportional to the strength of the excitation. The increase of coseismic velocity change and recovery time with increasing excitation is confirmed by laboratory tests with ultrasound. Despite having only two free scaling parameters, the model fits the data of the shaking-induced velocity variation in remarkable detail. Additionally, a linear trend is observed that might be related to a recovery process from one or more earthquakes before the measurement period. A clear relationship between ground shaking and induced velocity reductions is not visible at other stations. The outstanding sensitivity of PATCX to ground shaking and thermal stress can be attributed to the special geological setting of the station, where the subsurface material consists of a relatively loose conglomerate with high pore volume leading to stronger nonlinearity compared to the other IPOC stations. / In dieser Studie werden mit Hilfe von seismischer Interferometrie kleinste dynamische Prozesse in der Erdkruste beobachtet, welche beispielsweise durch umweltbedingte oder anthropogene Einflüsse sowie Bodenerschütterungen hervorgerufen werden können. Im ersten Teil der Arbeit werden Änderungen in der seismischen Geschwindigkeit am Pilotstandort für CO2-Speicherung in Ketzin untersucht. In einer Tiefe von 650m wurden dort zwischen Juni 2008 und August 2013 über 67000 Tonnen CO2 eingelagert. In einem Frequenzbereich vom 0,05-4,5 Hz wurden Kreuzkorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens an einem kleinräumigen Netzwerk über einen Zeitraum von 4 Jahren berechnet. Der Frequenzbereich zwischen 0,5 und 0,9 Hz weist eine hohe Sensitivität von Oberflächenwellen in der Tiefe des Reservoirs auf, ist aber nur sehr schwach angeregt und eignet sich deswegen nicht für die Analyse. In einem Frequenzbereich von 1,5-3 Hz zeigen sich periodische Geschwindigkeitsänderungen mit einer Periode von einem Jahr, welche nicht durch die Einlagerung von CO2 erzeugt werden können. Eine Analyse des seismischen Hintergrundrauschens zeigt, dass dieses über den gesamten Zeitraum hinweg hauptsächlich aus der Richtung eines Windparks kommt. Durch die Stabilität des Wellenfeldes können Änderungen in den Quellpositionen, welche sich in scheinbaren Geschwindigkeitsänderungen zeigen können, ausgeschlossen werden. Eine Amplitudenabnahme der Geschwindigkeitsänderungen hin zu späteren Zeitfenstern in der Coda lässt auf oberflächennahe Prozesse als Ursache schließen. Ein Vergleich zwischen den jährlichen Geschwindigkeitsänderungen mit Schwankungen im Grundwasserspiegel zeigt eine direkte Korrelation. Ein sprunghafter Anstieg in der Geschwindigkeit zeigt sich im Winter, wenn die Tageshöchsttemperaturen unter den Gefrierpunkt sinken und der Boden zufriert. Obwohl Bodenfrost und Änderungen im Grundwasserspiegel nur einen sehr oberflächennahen Bereich betreffen, so überdecken sie dennoch mögliche Signale durch die Einlagerung von CO2. Im zweiten Teil der Arbeit werden Geschwindigkeitsänderungen in Nordchile untersucht, welche durch erdbebeninduzierte Prozesse und umweltbedingte Einflüsse hervorgerufen werden. Dazu wurden über einen Zeitraum von 8 Jahren Autokorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens des IPOC Netzwerkes (Integrated Plate Boundary Observatory Chile) berechnet und mit seismischer Interferometrie ausgewertet. An der Station PATCX können in einem Frequenzbereich von 4-6 Hz periodische Geschwindigkeitsänderungen beobachet werden, welche durch thermisch induzierte Dehnung hervorgerufen werden. Außerdem treten transiente Geschwindigkeitsabnamen nach Bodenerschütterungen auf, welche hauptsächlich von Erdbeben verursacht werden. Die seismische Geschwindigkeit kehrt daraufhin langsam wieder auf ihr vorheriges Niveau zurück. Für die Geschwindigkeitsänderungen wurde ein empirisches Modell entwickelt, welches auf Messungen der lokalen Bodenerschütterung basiert. Dabei wird angenommen, dass nicht nur große erdbebeninduzierte, sondern auch kleinste Bodenerschütterungen einen Abfall der Geschwindigkeit erzeugen, welche wiederum innerhalb kürzester Zeit durch Heilung in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Dabei summieren sich die Effekte durch die Bodenerschütterungen mit der Zeit auf und werden am besten mit dem Integral der lokalen Bodenbeschleunigung über die Messwerte eines Tages beschrieben. Die Diskretisierung von einem Tag entspricht der zeitlichen Auflösung in der Messung der Geschwindigkeitsänderungen. Sowohl die Amplitude der Geschwindigkeitsabnahme als auch die Zeit bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist (Heilungszeit) werden im Modell als proportinal zur Größe der Anregung angenommen. Eine Korrelation der Heilungszeit und der Amplitude der koseismischen Geschwindigkeitsabnahme mit der Größe der Anregung konnte mit Hilfe von Laboruntersuchungen mit Ultraschall bestätigt werden. Mit nur zwei Parametern beschreibt das Modell die transienten Geschwindigkeitsänderungen in bemerkenswerter Genauigkeit. Desweiteren beinhaltet das Modell einen linearen Verlauf in den Geschwindigkeitsänderungen, welcher vermutlich durch einen Heilungsprozess hervorgerufen wird, der auf ein oder mehrere Erdbeben vor dem Messzeitraum folgte. Eine Beziehung zwischen Bodenerschütterung und Geschwindigkeitsänderung ist an anderen Stationen des IPOC Netzwerkes nicht erkennbar. Die herausragende Sensitivität von PATCX im Hinblick auf Bodenerschütterung und thermische Dehnung kann den speziellen geologischen Gegebenheiten an der Station zugeschrieben werden. Bei dem dort vorliegenden Material handelt es sich um ein relativ loses Konglomerat mit großem Porenvolumen, welches ein starkes nichtlineares Verhalten aufweist, was an anderen IPOC Stationen nicht zu erwarten ist.

In this study, seismic interferometry is used to analyze dynamic processes in the Earth’s shallow subsurface caused by environmental processes and ground shaking. In the first part of the thesis, the feasibility of a passive monitoring with ambient seismic noise at the pilot site for CO2 injection in Ketzin is investigated. Monitoring the expansion of the CO2 plume is essential for the characterization of the reservoir as well as the detection of potential leakage. From June 2008 until August 2013, more than 67000 tons of CO2 were injected into a saline aquifer at a depth of about 650 m. Passive seismic data recorded at a seismic network around the injection site was cross-correlated in a frequency range of 0.5-4.5 Hz over a period of 4 years. The frequency band of 0.5-0.9 Hz, in which surface waves exhibit a high sensitivity at the depth of the reservoir, is not suitable for monitoring purposes as it is only weakly excited. In a frequency range of 1.5-3 Hz, periodic velocity variations with a period of approximately one year are found that cannot be caused by the CO2 injection. The prominent propagation direction of the noise wave field indicates a wind farm as the dominant source providing the temporally stable noise field. This spacial stability excludes variations of the noise source distribution as a spurious cause of velocity variations. Based on an amplitude decrease associated with time windows towards later parts of the coda, the variations must be generated in the shallow subsurface. A comparison to groundwater level data reveals a direct correlation between depth of the groundwater level and the seismic velocity. The influence of ground frost on the seismic velocities is documented by a sharp increase of velocity when the maximum daily temperature stays below 0 C. Although the observed periodic changes and the changes due to ground frost affect only the shallow subsurface, they mask potential signals of material changes from the reservoir depths. To investigate temporal seismic velocity changes due to earthquake-related processes and environmental forcing in northern Chile, 8 years of ambient seismic noise recorded by the Integrated Plate Boundary Observatory Chile (IPOC) are analyzed. By autocorrelating the ambient seismic noise field, approximations of the Green’s functions are retrieved and velocity changes are measured with Coda Wave Interferometry. At station PATCX, seasonal changes of seismic velocity caused by thermal stress as well as transient velocity reductions are observed in the frequency range of 4-6 Hz. Sudden velocity drops occur at times of mostly earthquake-induced ground describing the seismic velocity variations based on continuous observations of the local ground acceleration. The model assumes that not only the shaking of large earthquakes causes velocity drops, but any small vibrations continuously induce minor velocity variations that are immediately compensated by healing in the steady state. The shaking effect is accumulated over time and best described by the integrated envelope of the ground acceleration over one day, which is the temporal resolution of the velocity measurements. In the model, the amplitude of the velocity reduction as well as the recovery time are proportional to the strength of the excitation. The increase of coseismic velocity change and recovery time with increasing excitation is confirmed by laboratory tests with ultrasound. Despite having only two free scaling parameters, the model fits the data of the shaking-induced velocity variation in remarkable detail. Additionally, a linear trend is observed that might be related to a recovery process from one or more earthquakes before the measurement period. A clear relationship between ground shaking and induced velocity reductions is not visible at other stations. The outstanding sensitivity of PATCX to ground shaking and thermal stress can be attributed to the special geological setting of the station, where the subsurface material consists of a relatively loose conglomerate with high pore volume leading to stronger nonlinearity compared to the other IPOC stations. / In dieser Studie werden mit Hilfe von seismischer Interferometrie kleinste dynamische Prozesse in der Erdkruste beobachtet, welche beispielsweise durch umweltbedingte oder anthropogene Einflüsse sowie Bodenerschütterungen hervorgerufen werden können. Im ersten Teil der Arbeit werden Änderungen in der seismischen Geschwindigkeit am Pilotstandort für CO2-Speicherung in Ketzin untersucht. In einer Tiefe von 650m wurden dort zwischen Juni 2008 und August 2013 über 67000 Tonnen CO2 eingelagert. In einem Frequenzbereich vom 0,05-4,5 Hz wurden Kreuzkorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens an einem kleinräumigen Netzwerk über einen Zeitraum von 4 Jahren berechnet. Der Frequenzbereich zwischen 0,5 und 0,9 Hz weist eine hohe Sensitivität von Oberflächenwellen in der Tiefe des Reservoirs auf, ist aber nur sehr schwach angeregt und eignet sich deswegen nicht für die Analyse. In einem Frequenzbereich von 1,5-3 Hz zeigen sich periodische Geschwindigkeitsänderungen mit einer Periode von einem Jahr, welche nicht durch die Einlagerung von CO2 erzeugt werden können. Eine Analyse des seismischen Hintergrundrauschens zeigt, dass dieses über den gesamten Zeitraum hinweg hauptsächlich aus der Richtung eines Windparks kommt. Durch die Stabilität des Wellenfeldes können Änderungen in den Quellpositionen, welche sich in scheinbaren Geschwindigkeitsänderungen zeigen können, ausgeschlossen werden. Eine Amplitudenabnahme der Geschwindigkeitsänderungen hin zu späteren Zeitfenstern in der Coda lässt auf oberflächennahe Prozesse als Ursache schließen. Ein Vergleich zwischen den jährlichen Geschwindigkeitsänderungen mit Schwankungen im Grundwasserspiegel zeigt eine direkte Korrelation. Ein sprunghafter Anstieg in der Geschwindigkeit zeigt sich im Winter, wenn die Tageshöchsttemperaturen unter den Gefrierpunkt sinken und der Boden zufriert. Obwohl Bodenfrost und Änderungen im Grundwasserspiegel nur einen sehr oberflächennahen Bereich betreffen, so überdecken sie dennoch mögliche Signale durch die Einlagerung von CO2. Im zweiten Teil der Arbeit werden Geschwindigkeitsänderungen in Nordchile untersucht, welche durch erdbebeninduzierte Prozesse und umweltbedingte Einflüsse hervorgerufen werden. Dazu wurden über einen Zeitraum von 8 Jahren Autokorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens des IPOC Netzwerkes (Integrated Plate Boundary Observatory Chile) berechnet und mit seismischer Interferometrie ausgewertet. An der Station PATCX können in einem Frequenzbereich von 4-6 Hz periodische Geschwindigkeitsänderungen beobachet werden, welche durch thermisch induzierte Dehnung hervorgerufen werden. Außerdem treten transiente Geschwindigkeitsabnamen nach Bodenerschütterungen auf, welche hauptsächlich von Erdbeben verursacht werden. Die seismische Geschwindigkeit kehrt daraufhin langsam wieder auf ihr vorheriges Niveau zurück. Für die Geschwindigkeitsänderungen wurde ein empirisches Modell entwickelt, welches auf Messungen der lokalen Bodenerschütterung basiert. Dabei wird angenommen, dass nicht nur große erdbebeninduzierte, sondern auch kleinste Bodenerschütterungen einen Abfall der Geschwindigkeit erzeugen, welche wiederum innerhalb kürzester Zeit durch Heilung in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Dabei summieren sich die Effekte durch die Bodenerschütterungen mit der Zeit auf und werden am besten mit dem Integral der lokalen Bodenbeschleunigung über die Messwerte eines Tages beschrieben. Die Diskretisierung von einem Tag entspricht der zeitlichen Auflösung in der Messung der Geschwindigkeitsänderungen. Sowohl die Amplitude der Geschwindigkeitsabnahme als auch die Zeit bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist (Heilungszeit) werden im Modell als proportinal zur Größe der Anregung angenommen. Eine Korrelation der Heilungszeit und der Amplitude der koseismischen Geschwindigkeitsabnahme mit der Größe der Anregung konnte mit Hilfe von Laboruntersuchungen mit Ultraschall bestätigt werden. Mit nur zwei Parametern beschreibt das Modell die transienten Geschwindigkeitsänderungen in bemerkenswerter Genauigkeit. Desweiteren beinhaltet das Modell einen linearen Verlauf in den Geschwindigkeitsänderungen, welcher vermutlich durch einen Heilungsprozess hervorgerufen wird, der auf ein oder mehrere Erdbeben vor dem Messzeitraum folgte. Eine Beziehung zwischen Bodenerschütterung und Geschwindigkeitsänderung ist an anderen Stationen des IPOC Netzwerkes nicht erkennbar. Die herausragende Sensitivität von PATCX im Hinblick auf Bodenerschütterung und thermische Dehnung kann den speziellen geologischen Gegebenheiten an der Station zugeschrieben werden. Bei dem dort vorliegenden Material handelt es sich um ein relativ loses Konglomerat mit großem Porenvolumen, welches ein starkes nichtlineares Verhalten aufweist, was an anderen IPOC Stationen nicht zu erwarten ist.