The occurrence of earthquakes is characterized by a high degree of
spatiotemporal complexity. Although numerous patterns, e.g. fore- and aftershock sequences, are well-known, the underlying mechanisms are not observable and thus not understood. Because the recurrence times of large earthquakes are usually decades or centuries, the number of such events in corresponding data sets is too small to draw conclusions with reasonable statistical significance. Therefore, the present study combines both, numerical modeling and analysis of real data in order to unveil the relationships between physical mechanisms and observational quantities. The key hypothesis is the validity of the so-called "critical point concept" for earthquakes, which assumes large earthquakes to occur as phase transitions in a spatially extended many-particle system, similar to percolation models. New concepts are developed to detect critical states in simulated and in natural data sets. The results indicate that important features of seismicity like the frequency-size distribution and the temporal clustering of earthquakes depend on frictional and structural fault parameters. In particular, the degree of quenched spatial disorder (the "roughness") of a fault zone determines whether large earthquakes occur quasiperiodically or more clustered. This illustrates the power of numerical models in order to identify regions in parameter space, which are relevant for natural seismicity. The critical point concept is verified for both, synthetic and natural seismicity, in terms of a critical state which precedes a large earthquake: a gradual roughening of the (unobservable) stress field leads to a scale-free (observable) frequency-size distribution. Furthermore, the growth of the spatial correlation length and the acceleration of the seismic energy release prior to large events is found. The predictive power of these precursors is, however, limited. Instead of forecasting time, location, and magnitude of individual events, a contribution to a broad multiparameter approach is encouraging. / Das Auftreten von Erdbeben zeichnet sich durch eine hohe raumzeitliche
Komplexität aus. Obwohl zahlreiche Muster, wie Vor- und Nachbeben bekannt
sind, weiß man wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen, da diese sich
direkter Beobachtung entziehen. Die Zeit zwischen zwei starken Erdbeben in
einer seismisch aktiven Region beträgt Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Folglich
ist die Anzahl solcher Ereignisse in einem Datensatz gering und es ist
kaum möglich, allein aus Beobachtungsdaten statistisch signifikante Aussagen
über deren Eigenschaften abzuleiten. Die vorliegende Arbeit nutzt daher
numerische Modellierungen einer Verwerfungszone in Verbindung mit
Datenanalyse, um die Beziehung zwischen physikalischen Mechanismen und
beobachteter Seismizität zu studieren. Die zentrale Hypothese ist die
Gültigkeit des sogenannten "kritischen Punkt Konzeptes" für Seismizität,
d.h. starke Erdbeben werden als Phasenübergänge in einem räumlich ausgedehnten
Vielteilchensystem betrachtet, ähnlich wie in Modellen aus der statistischen
Physik (z.B. Perkolationsmodelle). Es werden praktische Konzepte entwickelt,
die es ermöglichen, kritische Zustände in simulierten und in beobachteten
Daten sichtbar zu machen. Die Resultate zeigen, dass wesentliche
Eigenschaften von Seismizität, etwa die Magnitudenverteilung und das
raumzeitliche Clustern von Erdbeben, durch Reibungs- und
Bruchparameter bestimmt werden. Insbesondere der Grad räumlicher Unordnung
(die "Rauhheit") einer Verwerfungszone hat Einfluss darauf, ob starke
Erdbeben quasiperiodisch oder eher zufällig auftreten. Dieser Befund zeigt
auf, wie numerische Modelle genutzt werden können, um den Parameterraum für
reale Verwerfungen einzugrenzen.
Das kritische Punkt Konzept kann in synthetischer und in
beobachteter Seismizität verifiziert werden. Dies artikuliert sich auch in
Vorläuferphänomenen vor großen Erdbeben: Die Aufrauhung des
(unbeobachtbaren) Spannungsfeldes führt zu einer Skalenfreiheit der
(beobachtbaren) Größenverteilung; die räumliche Korrelationslänge
wächst und die seismische Energiefreisetzung wird beschleunigt. Ein starkes
Erdbeben kann in einem zusammenhängenden Bruch oder in einem unterbrochenen
Bruch (Vorbeben und Hauptbeben) stattfinden. Die beobachtbaren Vorläufer
besitzen eine
begrenzte Prognosekraft für die Auftretenswahrscheinlichkeit starker
Erdbeben - eine
präzise Vorhersage von Ort, Zeit, und Stärke eines
nahenden Erdbebens ist allerdings nicht möglich. Die
genannten Parameter erscheinen eher vielversprechend als Beitrag zu einem
umfassenden Multiparameteransatz für eine verbesserte zeitabhängige
Gefährdungsabschätzung.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:742 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Zöller, Gert |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | Text.Thesis.Habilitation |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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