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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:15-qucosa-203118 |
| Date | 19 May 2016 |
| Creators | Gassenmeier, Martina |
| Contributors | Universität Leipzig, Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Prof. Dr. Michael Korn, Dr. Christoph Sens-Schönfelder, Prof. Dr. Frederik Tilmann, Prof. Dr. Michael Korn, Dr. habil Eric Larose |
| Publisher | Universitätsbibliothek Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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