Robust model to determine the epicenter of a seismic event by means of amplitude measurements

Abstract

In dieser Studie wird eine neue robuste Methode zur Lokalisierung niedriger und mittlerer Erdbebenstärken vorgestellt. Dieses Verfahren basiert auf einem empirischen Modell der Bodenbewegung, welches aus Amplitudendaten gewonnen wird. Zunächst wird an jeder Station des seismischen Netzes die Amplitude aufgezeichnet. Anschließend wird die maximal baufgezeichnete Amplitude innerhalb eines Zeitfensters berechnet. Nun wird diese maximale Amplitude auf jeden Rasterpunkt projiziert, welcher in die zu untersuchende Fläche fällt, während eine empirische Amplituden-Distanzbeziehung angewendet wird. Die Anzahl der seismischen Stationen in dem lokalen Netzwerk-Betrieb ist gleich der Anzahl der zurückprojizierten Amplituden an jedem Gitterpunkt. Durch die Auswahl der kleinsten, von den verschiedenen Stationen an die jeweiligen Gitterpunkte zurückprojizierten Amplituden wird eine sogenannte SourceMap erzeugt. Falls kein nachweisbares seismisches Ereignis aufgetreten ist, begrenzt die SourceMap die pseudoMagnitude von schwachen Erdbeben, die sich in Hintergrundgeräuschen verbergen könnten. Im Falle eines nachweisbaren Ereignisses, zeigt die räumliche Verteilung der pseudoMagnituden in der SourceMap ein signifikantes Maximum an den Gitterpunkten welche am nächsten zum Epizentrum liegen. Die Anwendung dieses Verfahrens ist auf den Bereich innerhalb der konvexen Hülle des seismischen Stationsnetzes beschränkt. Darüber hinaus muss man sicherstellen, dass keine toten Spuren in der Verarbeitung beinhaltet sind. Im Gegensatz zu Methoden, die auf der L2 Norm basieren, ist diese neue Methode unempfindlich gegenüber Ausreißern, also Daten von gestörten seismischen Stationen. Da ein Großteil der erforderlichen Berechnungen nur einmal und vorab durchgeführt wird, eignet sich die Methode gut für real-time Auswertungen. Die Leistungsfähigkeit der Methode wurde zunächst mit synthetischen Daten demonstriert. Danach wurde diese Methode auf 43 lokale Erdbeben niedriger und mittlerer Stärke angewendet (1,7 < Richterskala < 4,3). Diese Erdbeben wurden durch das seismische Netzwerk ALPAACT (Seismological and geodetic monitoring of ALpine-PAnnonian ACtive Tectonics) im Zeitraum von 11. Juni 2010 bis 20. September 2013 aufgezeichnet. Schließlich wurde das Verfahren auf Daten, welche im Steinbruch Spitz (NÖ-Österreich) aufgezeichnet wurden, angewandt. Es wurde demonstriert, dass die neue Methode die Grundlage für ein verlässliches Steinschlagwarnsystem bilden kann.

In this study, a robust new method to locate medium and low magnitude scale earthquakes is presented. This method is based on an empirical model of the ground motion obtained from amplitude data. Firstly, the amplitude is recorded at each station of the seismic network. Secondly, the maximum resultant amplitude within a time window is computed. Subsequently, the maximum resultant amplitude is back-projected to every grid-point covering the whole area of interest while applying an empirical amplitude - distance relation. The number of operating seismic stations in the local network equals the number of back-projected amplitude at each grid-point. This method introduces the new idea of selecting the minimum back-projected amplitude at each grid-point for further analysis. We refer to these back-projected ground velocities as pseudoMagnitudes. In case no detectable seismic event occurred, the spatial distribution of the minimum pseudoMagnitude constrains the magnitude of weak earthquakes hidden in the ambient noise. In the case of a detectable event, the spatial distribution of the pseudoMangitudes shows a significant maximum at the grid-point nearest to the actual epicenter. The application of this method is restricted to the area confined by the convex hull of the seismic station network. Additionally, one must ensure that there are no dead traces involved in the processing. This new method is almost wholly insensitive to outliers (data from locally disturbed seismic stations). This is possible due to the method of obtaining and storing a Pack-Projection Matrix, independent of the registered amplitude, for each seismic station. As a direct consequence, it is possible to save computational time for the calculation of the pseudoMagnitude at every grid-point. The capability of the method was firstly demonstrated by using synthetic data. In addition, a first impression of the importance of the network distribution is derived from the results obtained from the synthetic test results. Following, this method was applied using 43 local earthquakes of low and medium magnitude scale (1.7 < magnitude scale < 4.3). These earthquakes were recorded and detected by the seismic network ALPAACT (seismological and geodetic monitoring of Alpine PAnnonian ACtive Tectonics) within the period 2010/06/11 to 2013/09/20. The method gave accuracies of less than 10km for about 27% of the events for the [1-10Hz] band-pass filter and about 18% for the [1-5Hz] filter. On the other hand, about 68% of the events for he [1-10Hz] filter has a deviation from the epicenter location provided by ZAMG of 11km to 30km, whereas for the [1-5Hz] 63% of the events are to be found in this range. Moreover, the estimated epicenter in this thesis for the strongest event turned out to be 4km away from the one taken as real. Finally, the method was applied to data recorded in the quarry of Spitz (NÖ-Austria). An existing seismic warning system did not fulfill the expected efficiency and reliability standards since the ratio of well-detected events to undetected events or false alarms was not satisfactory. The aim was to analyze how a seismic warning system must be designed in order to overcome these deficiencies. A small-scale seismic network was deployed in the Spitz quarry to evaluate the possibility of improving the early-warning rockfall monitoring network by means of seismic observations.