T.W. Münch und M. Koch. Department of Geohydraulics and Engineering Hydrology University of Kassel Kurt-Wolters-Strasse 3 D Kassel, Germany

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Peter Brandt
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1 Simultane 3D Inversion für die Struktur von Lithosphäre und Hypozentren in Deutschland undd angrenzenden Gebieten unter Berücksichtigung eines anisotropen oberen Mantels T.W. Münch und M. Koch Department of Geohydraulics and Engineering Hydrology University of Kassel Kurt-Wolters-Strasse 3 D Kassel, Germany kochm@uni-kassel.de J. Schlittenhardt Federal Institute for Geosciences and Natural Resources Stilleweg Hannover

2 Vorarbeiten: Schlittenhardt, 1999 Lin-Ping Song et al, 2001, 2004

Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Formel zur anisotropen Korrektur: 1 S = + 2S 0 ( D cos 2ϕ + E sin 2ϕ + F cos 4ϕ G sin 4ϕ ) Abbildung oben: Inversion ohne Korrekturen

3 Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Formel zur anisotropen Korrektur: 1 S = + 2S 0 ( D cos 2ϕ + E sin 2ϕ + F cos 4ϕ G sin 4ϕ ) Abbildung oben: Inversion ohne Korrekturen Vpn = 7.98 km/s km/s Abbildung mitte: Klassische time-term-analyse Vpn = 7.99 km/s km/s Abbildung unten: Korrektur mit Anisotropie ohne F- und G-Terme Vpn = 8.09 km/s km/s

4 Ergebnisse der Vorarbeiten für Pn-Geschwindigkeiten: Anisotropie-Ellipsoid mit Hauptachse in N26,7 E und Geschwindigkeits-Variation δ = 3,5% ohne Anisotropie mit Anisotropie

5 Datensatz Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Quelle Data Catalogue of Earthquakes in Germany (Henger & Leydecker, 1976, ff.) archiviert bei der BGR Hannover Verfügbarer Aufzeichnungszeitraum von , Events, Phasen Bearbeitung Auswahl der besten Lokalisierungen Annahme, daß lokale Netzwerke ( z. B. LED BNS etc.) die besten Lokalisierungen haben. Auswahlkriterien Mindestens 8 Stationsaufzeichnungen pro Event. GAP < 180 entspricht 1235 Events mit P-Phasen

6 Durchstrahlung des nach Selektion Gebietes GAP < 180 und Nobs > 7 alle Strahlwege nur Pn-Strahlen

7 Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Variation of TSS with Azimuth of Anisotropy, IFIX = 0, I = TSS (sec²) Azimuth (degree) Variation of TSS with Azimuth of Anisotropy, IFIX = 0, I = 2 TSS über Anisotropiewinkel Simultane Inversion für 1D-Struktur und Hypozentren Detailauschnitt nach 1. und 2. Inversion. TSS (sec²) Azimuth (degree)

8 Reduktion der Abweichung der Residuen durch Korrektur mit Anisotropie nur raytracing erste Inversion Rechts die bessere Anpassung Restondulation durch Vernachlässigung weiterer Terme in der anisotropen Korrektur

9 MKS2005 Data2003 Gap180 ifix1 iso MKS2005 Data2003 Gap180 ifix1 ani Input-model Best solution 10 Input-model Best solution Depth in km Depth in km Vp in km/sec Vp in km/sec Optimale 1D-Lösung mit und ohne Anisotropie, alte Lokalisierungen isotrop: av. RMS = s, TSS = s² anisotrop: av. RMS = s, TSS = s²

10 MKS2005 Data2003 Gap180 ifix0 iso MKS2005 Data2003 Gap180 ifix0 ani Input-model Best solution 10 Input-model Best solution Depth in km Depth in km Vp in km/sec Vp in km/sec Optimale 1D-Lösungen mit freien Hypozentren isotrop: av. RMS = s, TSS = s² anisotrop: av. RMS = s, TSS = s²

11 Verschiebung der auf 10km fixierten Hypozentren isotrop: av. RMS = s anisotrop: av. RMS = s

12 Counts delta-z [km] Events per 5km Intervall 10 0 Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Verschiebung der Hypozentren nach Relokalisierung mit 1D-Modell delta-z [km] Events per 5km Intervall Counts 40

13 3D-Modelle 9x9 ca. 72km Kantenlänge 15x15 ca. 43km Auflösungsgrenze: Fresnel-Zone: r L*λ (Williamson, 1993) Frequenz der Registrierungen durch Bandpass limitiert auf 1 8 Hz => r 200km*5km 30km 35x35 Blöcke mit ca. 16km Kantenlänge möglich?

14 9x9-Modelle, beste Lösungen, Anpassung um 11% besser mit Anisotropie links: isotropes Ergebnis mit TSS = s², av. RMS = s rechts: anisotropes Ergebnis mit TSS = s², av. RMS = s

15 Auflösungstests für 9x9 isotrop, optimale Lösungen links: ohne noise TSS = 18 s², av. RMS = s rechts: mit noise σ = 0.3 s, TSS = 2005 s², av. RMS = s

16 Rechnungen für die Modelle mit Blockauflösung 15x15 Dies entspricht einer Kantelänge von 43 km Wie bei den Modellen mit Blockauflösung 9x9 zeigt sich eine ähnliche Geschwindigkeitsstruktur. 1. Die anisotropen Rechnungen zeigen ein besseres TSS bzw. RMS

17 Modelle mit Blockauflösung 15x15 iso- und anisotrope 1. Inversion, TSS-Hypo = links: isotrop, TSS = s², av. RMS = s, Vpn-mittel = 8.03km/s rechts: anisotrop, TSS = s², av. RMS = s, Vpn-mittel = 8.04km/s

18 Vergleich zwischen isotroper und anisotroper Lösung, TSS-Hypo = s², 5% Verbesserung links: isotrope Inversion, TSS = s², Vpn-mittel = 7.975km/s rechts: anisotrope Inversion, TSS = s², Vpn-mittel = 7,997km/s +- 0,1900

19 Auflösungstests mittels Checkerboard, optimale Lösungen links: ohne noise TSS = 561 s², av. RMS = s rechts: mit noise σ = 0.3 s, TSS = 1856 s², av. RMS = s

20 Modelle mit Blockauflösung 35x35 Isotrope und anisotrope Inversion

21 Modelle mit Blockauflösung 35x35, Anisotropie bei 27, GAP 180, TSS-hypo = s² links: isotrope Inversion, TSS = s², av. RMS = s, Vp-mittel = 8,008 rechts: anisotrope Inversion, TSS = s², av. RMS = s, vp-mittel = 8,008

22 Auflösungstest für 35x35, optimale Lösungen links: ohne noise, TSS = 52.0 s², av. RMS = s rechts: mit noise σ = 0.1s,TSS = 250 s², av. RMS = s

Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und

(nach:the European Science Foundation (1992): A

23 Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Tektonische Karte für Deutschland (nach:the European Science Foundation (1992): A Continent Revealed, The European Geotraverse, Atlas Map 1, Tectonics, South Sheet, zusammengestellt von P. Burollet, G.V. Dal Piaz, W. Franke und R. Trümpy)

24 Fazit: 1. Anisotrope Rechnungen zeigen bessere Modellanpassung 2. Verringerung der Geschwindigkeitsvariationen im oberen Mantel durch Berücksichtigung der Anisotropie müssen noch weiter untersucht werden. 3. Einbeziehung von Anisotropie notwendig zur plausiblen Erklärung der V Pn 4. Die dritte Schicht ist schlecht aufgelöst, die zweite Schicht problematisch aufgrund unzureichender Durchstrahlung 5. Grenze des Auflösungsvermögens bei 35x35 erreicht (?) wegen a) Übergang zur Wellentheorie b) Unzureichender Durchstrahlung des Gebietes 6. Neues 1D-Anfangsmodell

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