GOCE Schwerefeld-Gradienten: Geophysikalische

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1 GOCE Schwerefeld-Gradienten: Geophysikalische Modellierung am Beispiel des Japan-Tohoku-Oki Erdbeben M. Fuchs, J. Bouman, C. Haberkorn, V. Lieb, M. Schmidt Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut(DGFI) Centrum für Geodätische Erdsystemforschung(CGE) München

2 AGENDA 1. Nutzung von Schwerefeldinformation in der geophysikalischen Anwendung 2. Co-seismische Änderungen durch das Japan-Tohoku-Oki Erdbeben a) Geometrische Oberflächen-Deformation 3. Die GOCE-Mission im Vergleich mit GRACE 4. Ermittlung des Erdschwerefeldes im Gebiet von Japan a) Hintergrundmodelle b) Gravimetrische Änderung 5. Rückschlüsse von gravimetrischen und geometrischen Verfahren in der geophysikalischen Modellierung 2

3 Nutzung von Schwerefeldinformation in der geophysikalischen Anwendung Stokes Integral Geoid 3

4 Nutzung von Schwerefeldinformation in der Geophysikalischen Anwendung Schichtenmodell für Norwegen GOCE-Gradienten sensitive gegenüber Dichteänderungen in der Erdkruste u.a. auch Mohotiefe Nutzung der Schwerefeldinformation für geophysikalische Explorationszwecke goce4interior.dgfi.badw.de 4

5 Beispiel Japan Tohoku-Oki Edbeben Simons et al Subduktionszone mit ausgeprägter Plattentektonik (Ring of Fire) ~8 cm/jahr Bewegung der Pazifischen Platte auf die Eurasische Platte 11. März Hauptbeben der Stärke 9.0 Mw Horizontaler Versatz von max 4.3m Ozean ~40m Vertikaler Versatz von 60 cm Ozean ~6m Sehr gute Datenlage: GSI-Geospatial Information Authority Japan Seismisches-Stations-Netzwerk Aufbau Massiver Nachbeben von Spannungsabbau Kompressions-Spannungen sowie post-seismische Entspannung Verhaken Absinken der Platten beider Kontinental-Kruste Platten Aufschiebung Anhebung der (engl. Ozeanischen-Kruste Thrust-fault) 5

6 Beispiel Japan Tohoku-Oki Edbeben Simons et al Subduktionszone mit ausgeprägter Plattentektonik (Ring of Fire) ~8 cm/jahr Bewegung der Pazifischen Platte auf die Eurasische Platte 11. März Hauptbeben der Stärke 9.0 Mw Horizontaler Versatz von max 4.3m Ozean ~40m Vertikaler Versatz von 60 cm Ozean ~6m Sehr gute Datenlage: GSI-Geospatial Information Authority Japan Seismisches-Stations-Netzwerk Aufbau Massiver Nachbeben von Spannungsabbau Kompressions-Spannungen sowie post-seismische Entspannung Verhaken Absinken der Platten beider Kontinental-Kruste Platten Aufschiebung Anhebung der (engl. Ozeanischen-Kruste Thrust-fault) 6

7 Beispiel Japan Tohoku-Oki Edbeben Simons et al Subduktionszone mit ausgeprägter Plattentektonik (Ring of Fire) ~8 cm/jahr Bewegung der Pazifischen Platte auf die Eurasische Platte 11. März Hauptbeben der Stärke 9.0 Mw Horizontaler Versatz von max 4.3m Ozean ~40m Vertikaler Versatz von 60 cm Ozean ~6m Sehr gute Datenlage: GSI-Geospatial Information Authority Japan Seismisches-Stations-Netzwerk Aufbau Massiver Nachbeben von Spannungsabbau Kompressions-Spannungen sowie post-seismische Entspannung Verhaken Absinken der Platten beider Kontinental-Kruste Platten Aufschiebung Anhebung der (engl. Ozeanischen-Kruste Thrust-fault) 7

8 Schwerefeldmissionen GRACE Orbithöhe 450 km Keine fixierte Orbitbahn GOCE Orbithöhe 255 km (jetzt 235 km) Fester Wiederholzyklus (61 Tage) KBR (1D) Sehr genau im unteren SH-Bereich (?) CSR monatliche Lsg. bis d/o 60 Gradiententensor (3D) Fokus: Hohe räumliche Auflösung Gradientenmessungen (1s smp) 8

9 Schwerefeldmissionen GRACE Orbithöhe 450 km Keine fixierte Orbitbahn GOCE Orbithöhe 255 km (jetzt 235 km) Fester Wiederholzyklus (61 Tage) KBR (1D) Sehr genau im unteren SH-Bereich (?) CSR monatliche Lsg. bis d/o 60 Gradiententensor (3D) Fokus: Hohe räumliche Auflösung Gradientenmessungen (1s smp) Erstmalige Detektion von zeitvariablem SWF-Signal 9

10 Statisches-Referenz-SWF Differenz zu GOCO03s Pre GOCO-03s (T.M.-Gürr et al. 2011) 5 Jahre SLR Beobachtungen Nov April 2011 GOCE Gradiometer Daten (1.5 Monat Post-Erdbeben Überschneidung) 7.5 Jahre GRACE Daten PRE-EQ 12 Monate GOCE + 16 Monate GRACE μgal Lokale Verbesserung? Post Diff. μgal μgal -Niederfrequenter Anteil aus GRACE - CSR-Lösung -Feinskalige Strukturen aus GOCE - Release 2 Daten - Regularisierung? 10

11 Zeitliche Korrekturen Gezeiten (Entlang der Bahn) HPF-L2 Prozessierung Hydrologie (Monatliche GLDAS Lösungen) Atmosphären und Ozean Dealiasing HPF-L2 Prozessierung SST-AUX Bild: Savcenko 11

12 GRACE und GOCE liefern unabhängige Daten Modell-Rechnung nach Hayes GRACE Gradienten zeigen Strukturen im SWF gut auf GRACE Lösung zeigt O-W Streifen CSR-Reihe bis Grad 60 GOCE-Messung ist band begrenzt Filter-Untergrenze 10 mhz (>Grad ~54) GOCE-Vzz V ZZ radiale 2te Abl. 255 km Orbit- Höhe Beobachtungsdifferenz zu GOCO03s 12

13 GRACE und GOCE liefern unabhängige Daten Modell-Rechnung nach Hayes GRACE Gradienten zeigen Strukturen im SWF gut auf GRACE Lösung zeigt O-W Streifen CSR-Reihe bis Grad 60 GOCE-Messung ist band begrenzt Filter-Untergrenze 10 mhz (>Grad ~54) GOCE-Vzz V ZZ radiale 2te Abl. 255 km Orbit- Höhe Beobachtungsdifferenz zu GOCO03s 13

14 Vermessung der Bruchstruktur GRACE + GOCE Kombinierte SWF-Störung 213 Bruch-Richtung μgal Faltungs-Parameter Energie Mw 9.0 Mw Bruch-Länge ~500 km ~350 km ~450 km Strike-Winkel Tiefe 30 km 30 km 21 km Dip-Winkel SWF Hayes Wei Bruchfläche Regularisierte-Lsg. ~ 130km Gaussian-Filter 8.3 Faltungsebene Ermittelt durch Korrelationsstudie der Vorwärtsmodellierung Best Modell - fit 14

15 Post seismische Änderung 38 Nord / 139 West μgal # CSR # GFZ GRACE ~17% des Gesamtsignals unterliegen post seismischen Änderungen Für die CSR-Fehler-Abschätzung wurden die Sigma-Koeff. der JPL-Lsg. verwendet + 300km Gaussian Filter 15

16 Post seismische Änderung 38 Nord / 139 West μgal # CSR # GFZ GRACE ~17% des Gesamtsignals unterliegen post seismischen Änderungen Für die CSR-Fehler-Abschätzung wurden die Sigma-Koeff. der JPL-Lsg. verwendet + 300km Gaussian Filter 16

17 Vergleich zu GPS Diskrepanz zwischen GPS und GRACE Messung Asymmetrische Datenlage Gemeinsame Inversion von geometrischen und gravimetrischen Daten ausstehend GRACE GPS Besseres Verständnis der Geophysikalischen Prozesse Feng et al. EGU

18 Zusammenfassung Feinskalige Strukturen des Erdschwerefeldes erlauben Rückschlüsse auf die integrale Massenverteilung des Erdinneren Schwerefeld-Gradienten besonders sensitiv gegenüber der Erdkrustenstruktur Tohoku-Oki Erdbeben verursachte Deformation der Erdkruste Massentransport ist sichtbar im Erdschwerefeld gemessen mit GRACE und GOCE GOCE Messungen können GRACE Information ergänzen Abbild im Erdschwerefeld lässt geophysikalische Interpretation zu Vergleich von Faltungsparameter Modell und Messung Diskrepanz zwischen Geometrie und Gravimetrie Verbesserung der Modellierung? Ausblick: Validierung mit terrestrischen Daten oder zusätzlichen Datentypen (SAR) Gemeinsame Inversion Zeitliche Veränderungen lassen Rückschlüsse auf Rheologie zu 18

19 Weiterführende Anwendungen Feinskalige Schwerefeld information aus GOCE kann helfen Massentransport besser zu quantifizieren GOCE+ STSE: GOCE time variations gocedt.dgfi.badw.de 19

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21 Schwerefeld-Modellierung V YY V XX V ZZ V XZ Voxelelemente z y x Heck und Seitz 2007 x = y = z = 75 km d = 37.5 km 21

22 Korreltations studie 22

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