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 Monte Carlo solutions to the radiative transfer equations are used to model translational and rotational motion seismogram envelopes in random elastic media with deterministic background structure assuming multiple anisotropic scattering. The results of the Monte Carlo radiative transfer theory simulations are verified by comparisons with 3D full wave field finite difference simulations. The observation and modeling of the three additional components of rotational ground motions can provide independent information about seismic wave propagation in the Earth’s structure. Rotational motions around the vertical axis observed in the P-wave coda are of particular interest as they can only be excited by horizontally polarized shear waves and therefore indicate the conversion from P- to SH-energy by multiple scattering at 3D-heterogeneities. Scattering and attenuation parameters in south-east Germany beneath the Gräfenberg array and in the Vogtland region are estimated by comparisons of synthesized multi-component seismogram envelopes to seismic data from local and regional swarm earthquakes and to teleseismic events. In a first step, frequency dependent scattering and attenuation parameters from a local data set are estimated for the Vogtland region using nearby swarm earthquakes. The results from the elastic simulations are compared to outcomes from acoustic radiative transfer simulations. Both methods yield similar results and suggest that intrinsic attenuation dominates scattering attenuation. From the elastic simulations it is observable, that forward scattering is required to explain the data. However, the amount of forward scattering strength remains unresolvable. In a second step scattering and attenuation parameters beneath the Gräfenberg array are estimated using a nonlinear genetic inversion of seismogram envelopes from regional events at high frequencies (4–8 Hz). The preferred model of crustal heterogeneity consists of a random medium described by an exponential auto correlation function with a transport mean free path length of ∼ 420 km. The quality factor for elastic S-wave attenuation Q iS is around 700. In a final step simulations of teleseismic P-wave arrivals, using this estimated set of scattering and attenuation parameters, are compared to observed seismogram envelopes from deep events. Simulations of teleseismic events with the parameters found from the regional inversion show good agreement with the measured seismogram envelopes. This includes ringlaser observations of vertical rotations in the teleseismic P-wave coda that naturally result from the proposed model of wave scattering. The model also predicts, that the elastic energy recorded in the teleseismic P-coda is not equipartitioned, unlike the coda of regional events, but contains an excess of shear energy. The combined results from the three different data sets suggest that scattering generating the seismic coda mainly occurs in the crustal part of the lithosphere beneath the receivers. The observations do not require scattering of high frequency waves in the mantle, but weak scattering in the lithospheric mantle cannot be ruled out. / In dieser Studie werden Monte Carlo Lösungen für die Energietransfergleichungen genutzt, um Seismogrammeinhüllende von Translations- und Rotationsbewegungen zu modellieren. Die Ergebnisse der Monte Carlo Simulationen werden durch einen Vergleich mit 3D finiten Differenzen Simulationen verifiziert. Diese Modellierung findet in einem elastischen Zufallsmedium mit deterministischer Hintergrundstruktur unter Annahme multipler anisotroper Streuung statt. Die Beobachtung und Modellierung der drei zusätzlichen Komponenten der Rotationsbodenbewegungen kann unabhängige Informationen über die Ausbreitung seismischer Wellen im Erdkörper liefern. Rotationsbewegungen um die vertikale Achse in der P-Wellen Koda sind in diesem Zusammenhang von speziellem Interesse, da sie nur von horizontal polarisierten Scheerwellen angeregt werden können. Die gemessenen Rotationsbewegungen deuten folglich auf Konversionen von P- zu SH-Energie durch multiple Streuung an 3D-Heterogenitäten hin. Für die Bestimmung von Streu- und Dämpfungsparametern im Südosten Deutschlands (Gräfenberg Array, Vogtland) werden synthetisch erzeugte, mehrspurige Seismogrammeinhüllende mit Daten lokaler und regionaler Schwarmbeben und teleseismicher Ereignisse verglichen. In einem ersten Schritt werden frequenzabhängige Krustenparameter für die Vogtlandregion mittels eines lokalen Datensatzes von nahen Schwarmbeben bestimmt. Die Resultate mittels elastischer Energietransfertheorie werden mit Ergebnissen aus Simulationen mittels akustischer Energietransfertheorie verglichen. Beide Methoden liefern ähnliche Parameter und sagen einen größeren Einfluss der intrinsichen Dämpfung im Vergleich zur Streudämpfung voraus. Aus den elastischen Simulationen geht hervor, dass für die Beschreibung der Daten Vorwärtsstreung angenommen werden muss, die Stärke dieser lässt sich jedoch nicht auflösen. In einem zweiten Schritt werden die Streu- und Dämpfungseigenschaften der Erdkruste im Untergrund des Gräfenberg Arrays untersucht. Hierzu wird eine nicht-lineare genetische Inversion von Seismogrammeinhüllenden regionaler Ereignisse bei hohen Frequenzen (4–8 Hz) verwendet. Das bevorzugte Modell der Krustenheterogenität wird durch ein exponentielles Zufallsmedium, einer mittleren freien Transportweglänge von ca. 420 km und einem Qualitätsfaktor für S-Wellen Q iS von ca. 700 beschrieben. Ein letzter Schritt vergleicht Simulationen von teleseismischen P-Welleneinsätzen mit beobachteten Seismogrammeinüllenden von tiefen Erdbeben unter der Nutzung der Parameter aus der regionalen Inversion. Die Simulationen der teleseismischen Ereignisse mit den Parametern der regionalen Inversion zeigen eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Seismogrammeinhüllenden. Dieser Vergleich beinhaltet Ringlaserbeobachtungen der Rotationsbewegungen um die vertikale Achse, welche aus dem angenommenen Streumodell resultieren. Das Modell sagt voraus, dass die elastische Energie in der teleseismischen P-Wellen Koda im Gegensatz zur Koda lokaler oder regionaler Ereignisse nicht gleichverteilt ist, sondern einen Überschuss an Scheerenergie beinhaltet. Die Resultate aus den Untersuchungen der lokalen, regionalen und teleseismischen Datensätze zeigen, dass die Streuereignisse, welche die seismische Koda erklären, hauptsächlich in der Kruste unterhalb der seismischen Empfänger stattfinden. Streuung des Wellenfeldes im Mantel wird für die Erklärung der Daten nicht benötigt, schwache Streuung im lithosphärischen Mantel kann jedoch nicht ausgeschlossen werden.

L'atténuation est un paramètre clé dans l'évaluation de l'aléa sismique car elle contrôle l'amplitude et la durée du mouvement du sol. Deux mécanismes contribuent à l'atténuation des ondes sismiques courte-période (f>1Hz, avec f la fréquence) : (1) l'absorption, quantifiée par son facteur de qualité Qi(f); et (2) le scattering, quantifié par Qsc(f). L'objectif principal de cette thèse est de cartographier l'atténuation sismique en France Métropolitaine en déterminant l'importance relative de ces deux processus. Pour mener à bien cette tâche, nous avons modélisé le transport de l'énergie sismique multi-diffusée - aussi appelée coda sismique - à l'aide de l'équation de transfert radiatif dans un milieu présentant des variations latérales des propriétés de diffusion et d'absorption. En utilisant une approche perturbative, nous avons calculé les noyaux de sensibilité de l'intensité de la coda sismique à des variations spatiales de Qi(f) et Qsc(f) à 2-D, dans le cas où la diffusion est isotrope. Dans un deuxième temps, nous avons mesuré la vitesse de décroissance énergétique de la coda sismique, quantifiée par le facteur de qualité de la coda Qc(f), sur plus de 120000 formes d'onde collectées en France, en Belgique et sur l'ensemble de l'arc alpin. L'approche théorique développée dans cette thèse nous a permis d'établir une relation approximative entre Qc et Qi. Cette relation prend la forme d'une intégrale de Qi sur le rai direct reliant la source à la station. Cette approximation a été utilisée afin de cartographier pour la première fois les variations régionales de l'absorption entre 1 et 32 Hz dans les Alpes et en France Métropolitaine. Nos résultats mettent en évidence de très fortes variations latérales (±30%) de l'absorption. À basse fréquence (f~1Hz), une corrélation claire apparaît entre la géologie de surface et les structures d'absorption : les zones de forte absorption se localisent sur les séries sédimentaires peu consolidées tandis que les régions de faible absorption correspondent au socle affleurant dans le Massif Armoricain, le Massif Central et dans les chaînes de montagne comme les Pyrénées et les Alpes. À haute fréquence (f~24Hz), la corrélation entre géologie de surface et atténuation disparaît. Nous avons formulé l'hypothèse que la dépendance fréquentielle de la structure en atténuation est due à un changement du contenu ondulatoire de la coda sismique avec la fréquence. Ainsi la sensibilité de la coda aux structures profondes de la croûte augmenterait avec la fréquence. Enfin, nous avons initié la mise en oeuvre des noyaux de sensibilité isotrope exacts à 2-D afin d'obtenir une tomographie d'absorption. L'inversion des mesures de Qc par décomposition en valeurs singulières nous a permis de construire la première tomographie d'absorption qui tienne compte de toute la sensibilité des trajets des ondes multi-diffusées. La carte préliminaire d'absorption obtenue pour les Pyrénées est prometteuse. Nos résultats fournissent des bases théoriques solides pour l'inversion linéarisée de Qsc et Qi à partir de la coda sismique. Ils offrent également des informations complémentaires aux tomographies de vitesse et des perspectives d'amélioration de la régionalisation des calculs de l'aléa sismique en France Métropolitaine. / Attenuation is a key parameter for seismic hazard assessment. It plays an important role in the observed variability of ground motion amplitude and duration. There are two main causes for attenuation of short period seismic waves (f>1Hz, with f the frequency) : (1) absorption, quantified by the quality factor Qi ; and (2) scattering, quantified by Qsc. The main objective of this thesis is to map the seismic attenuation in Metropolitan France and to determine the relative importance of these two processes. To model the transport of multiply-scattered seismic waves - also known as the seismic coda - we employ a scalar version of the radiative transfer equation with spatially dependent absorption and scattering properties. The sensitivity kernels of the coda intensity to spatial variations of Qi and Qsc are computed in 2-D isotropically and anisotropically scattering media. The coda quality factor Qc (f) - quantifying the decay rate of the seismic coda energy - have been estimated on a collection of 120000 waveforms recorded in France, Belgium and in the Alpine range. According to the theory developed in this thesis, we establish a linearized approximate relation between the coda quality factor Qc (f) and the absorption quality factor Qi. This relation is expressed as an integral along the direct ray path connecting the source to the station. This approximation is used to map regional variations of absorption in the Alps and in Metropolitan France between 1 and 32Hz. Our maps reveal strong lateral variations (±30%) of absorption in the crust. At low frequency (f~1Hz), the correlation between sedimentary deposits and high absorption regions is clear : strong absorption zones are localized on the poorly consolidated sedimentary series while low absorption regions correspond to the basement which outcrops in the Massif Armoricain, the Massif Central and in the mountain ranges as the Pyrenees or the Alps. At high frequency (f~24Hz), the correlation between surface geology and absorption structures tends to disappear. We hypothesize that the frequency dependence of the attenuation structure is caused by a change of the wavefield composition which accentuates the sensitivity of the coda to the deeper parts of the medium as the frequency increases. Finally, we initiate the implementation of the exact 2D isotropic sensitivity kernels to retrieve the crustal absorption structures. Using the linear relation between Qc and Qi, we obtain the first absorption map which takes into account the precise spatio-temporal sensitivity of coda waves. The inverse problem is solved with a singular value decomposition approach. The preliminary map of Qi for the Pyrenees is promising. Our results constitute a solid theoretical basis to develop linearized inversions of Qsc and Qi from the analysis of the seismic coda. They also significantly improve the knowledge of the regional variations of seismic attenuation in Metropolitan France. Our maps provide new insights on the crustal structure of the Alpine Range in complement to seismic velocity images. These attenuation maps have direct implication for the design of future seismic hazard maps.

In this study Monte Carlo solutions to the radiative transfer equations are used to model translational and rotational motion seismogram envelopes in random elastic media with deterministic background structure assuming multiple anisotropic scattering. The results of the Monte Carlo radiative transfer theory simulations are verified by comparisons with 3D full wave field finite difference simulations. The observation and modeling of the three additional components of rotational ground motions can provide independent information about seismic wave propagation in the Earth’s structure. Rotational motions around the vertical axis observed in the P-wave coda are of particular interest as they can only be excited by horizontally polarized shear waves and therefore indicate the conversion from P- to SH-energy by multiple scattering at 3D-heterogeneities. Scattering and attenuation parameters in south-east Germany beneath the Gräfenberg array and in the Vogtland region are estimated by comparisons of synthesized multi-component seismogram envelopes to seismic data from local and regional swarm earthquakes and to teleseismic events. In a first step, frequency dependent scattering and attenuation parameters from a local data set are estimated for the Vogtland region using nearby swarm earthquakes. The results from the elastic simulations are compared to outcomes from acoustic radiative transfer simulations. Both methods yield similar results and suggest that intrinsic attenuation dominates scattering attenuation. From the elastic simulations it is observable, that forward scattering is required to explain the data. However, the amount of forward scattering strength remains unresolvable. In a second step scattering and attenuation parameters beneath the Gräfenberg array are estimated using a nonlinear genetic inversion of seismogram envelopes from regional events at high frequencies (4–8 Hz). The preferred model of crustal heterogeneity consists of a random medium described by an exponential auto correlation function with a transport mean free path length of ∼ 420 km. The quality factor for elastic S-wave attenuation Q iS is around 700. In a final step simulations of teleseismic P-wave arrivals, using this estimated set of scattering and attenuation parameters, are compared to observed seismogram envelopes from deep events. Simulations of teleseismic events with the parameters found from the regional inversion show good agreement with the measured seismogram envelopes. This includes ringlaser observations of vertical rotations in the teleseismic P-wave coda that naturally result from the proposed model of wave scattering. The model also predicts, that the elastic energy recorded in the teleseismic P-coda is not equipartitioned, unlike the coda of regional events, but contains an excess of shear energy. The combined results from the three different data sets suggest that scattering generating the seismic coda mainly occurs in the crustal part of the lithosphere beneath the receivers. The observations do not require scattering of high frequency waves in the mantle, but weak scattering in the lithospheric mantle cannot be ruled out. / In dieser Studie werden Monte Carlo Lösungen für die Energietransfergleichungen genutzt, um Seismogrammeinhüllende von Translations- und Rotationsbewegungen zu modellieren. Die Ergebnisse der Monte Carlo Simulationen werden durch einen Vergleich mit 3D finiten Differenzen Simulationen verifiziert. Diese Modellierung findet in einem elastischen Zufallsmedium mit deterministischer Hintergrundstruktur unter Annahme multipler anisotroper Streuung statt. Die Beobachtung und Modellierung der drei zusätzlichen Komponenten der Rotationsbodenbewegungen kann unabhängige Informationen über die Ausbreitung seismischer Wellen im Erdkörper liefern. Rotationsbewegungen um die vertikale Achse in der P-Wellen Koda sind in diesem Zusammenhang von speziellem Interesse, da sie nur von horizontal polarisierten Scheerwellen angeregt werden können. Die gemessenen Rotationsbewegungen deuten folglich auf Konversionen von P- zu SH-Energie durch multiple Streuung an 3D-Heterogenitäten hin. Für die Bestimmung von Streu- und Dämpfungsparametern im Südosten Deutschlands (Gräfenberg Array, Vogtland) werden synthetisch erzeugte, mehrspurige Seismogrammeinhüllende mit Daten lokaler und regionaler Schwarmbeben und teleseismicher Ereignisse verglichen. In einem ersten Schritt werden frequenzabhängige Krustenparameter für die Vogtlandregion mittels eines lokalen Datensatzes von nahen Schwarmbeben bestimmt. Die Resultate mittels elastischer Energietransfertheorie werden mit Ergebnissen aus Simulationen mittels akustischer Energietransfertheorie verglichen. Beide Methoden liefern ähnliche Parameter und sagen einen größeren Einfluss der intrinsichen Dämpfung im Vergleich zur Streudämpfung voraus. Aus den elastischen Simulationen geht hervor, dass für die Beschreibung der Daten Vorwärtsstreung angenommen werden muss, die Stärke dieser lässt sich jedoch nicht auflösen. In einem zweiten Schritt werden die Streu- und Dämpfungseigenschaften der Erdkruste im Untergrund des Gräfenberg Arrays untersucht. Hierzu wird eine nicht-lineare genetische Inversion von Seismogrammeinhüllenden regionaler Ereignisse bei hohen Frequenzen (4–8 Hz) verwendet. Das bevorzugte Modell der Krustenheterogenität wird durch ein exponentielles Zufallsmedium, einer mittleren freien Transportweglänge von ca. 420 km und einem Qualitätsfaktor für S-Wellen Q iS von ca. 700 beschrieben. Ein letzter Schritt vergleicht Simulationen von teleseismischen P-Welleneinsätzen mit beobachteten Seismogrammeinüllenden von tiefen Erdbeben unter der Nutzung der Parameter aus der regionalen Inversion. Die Simulationen der teleseismischen Ereignisse mit den Parametern der regionalen Inversion zeigen eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Seismogrammeinhüllenden. Dieser Vergleich beinhaltet Ringlaserbeobachtungen der Rotationsbewegungen um die vertikale Achse, welche aus dem angenommenen Streumodell resultieren. Das Modell sagt voraus, dass die elastische Energie in der teleseismischen P-Wellen Koda im Gegensatz zur Koda lokaler oder regionaler Ereignisse nicht gleichverteilt ist, sondern einen Überschuss an Scheerenergie beinhaltet. Die Resultate aus den Untersuchungen der lokalen, regionalen und teleseismischen Datensätze zeigen, dass die Streuereignisse, welche die seismische Koda erklären, hauptsächlich in der Kruste unterhalb der seismischen Empfänger stattfinden. Streuung des Wellenfeldes im Mantel wird für die Erklärung der Daten nicht benötigt, schwache Streuung im lithosphärischen Mantel kann jedoch nicht ausgeschlossen werden.

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.