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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:15-qucosa-189153 |
| Date | 23 November 2015 |
| Creators | Gaebler, Peter Jost |
| Contributors | Universität Leipzig, Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Prof. Dr. Michael Korn, Dr. Christoph Sens-Schönfelder, Prof. Dr. Michael Korn, Prof. Dr. Hisashi Nakahara, Dr. Christoph Sens-Schönfelder |
| Publisher | Universitätsbibliothek Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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