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-34109 Kassel, Germany Email:kochm@uni-kassel.de J. Schlittenhardt Federal Institute for Geosciences and Natural Resources Stilleweg 2 30655 Hannover
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 Vpn = 7.98 km/s +- 0.014 km/s Abbildung mitte: Klassische time-term-analyse Vpn = 7.99 km/s +- 0.013 km/s Abbildung unten: Korrektur mit Anisotropie ohne F- und G-Terme Vpn = 8.09 km/s +- 0.013 km/s
Ergebnisse der Vorarbeiten für Pn-Geschwindigkeiten: Anisotropie-Ellipsoid mit Hauptachse in N26,7 E und Geschwindigkeits-Variation δ = 3,5% ohne Anisotropie mit Anisotropie
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 1975 2003, 10943 Events, 62023 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 22899 P-Phasen
Durchstrahlung des nach Selektion Gebietes GAP < 180 und Nobs > 7 alle Strahlwege nur Pn-Strahlen
Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur 17200 Variation of TSS with Azimuth of Anisotropy, IFIX = 0, I = 1 17100 TSS (sec²) 17000 16900 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Azimuth (degree) Variation of TSS with Azimuth of Anisotropy, IFIX = 0, I = 2 TSS über Anisotropiewinkel Simultane Inversion für 1D-Struktur und Hypozentren 15900 15800 Detailauschnitt nach 1. und 2. Inversion. TSS (sec²) 15700 15600 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Azimuth (degree)
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
MKS2005 Data2003 Gap180 ifix1 iso MKS2005 Data2003 Gap180 ifix1 ani25 0 0 5 5 10 Input-model Best solution 10 Input-model Best solution Depth in km 15 20 25 Depth in km 15 20 25 30 30 35 35 40 6 7 8 Vp in km/sec 40 6 7 8 Vp in km/sec Optimale 1D-Lösung mit und ohne Anisotropie, alte Lokalisierungen isotrop: av. RMS = 1.6191 s, TSS = 58018 s² anisotrop: av. RMS = 1.6069 s, TSS = 57148 s²
MKS2005 Data2003 Gap180 ifix0 iso MKS2005 Data2003 Gap180 ifix0 ani25 0 0 5 5 10 Input-model Best solution 10 Input-model Best solution Depth in km 15 20 25 Depth in km 15 20 25 30 30 35 35 40 6 7 8 Vp in km/sec 40 6 7 8 Vp in km/sec Optimale 1D-Lösungen mit freien Hypozentren isotrop: av. RMS = 1.3453 s, TSS = 40064 s² anisotrop: av. RMS = 1.2976 s, TSS = 37271 s²
Verschiebung der auf 10km fixierten Hypozentren isotrop: av. RMS = 1.3453 s anisotrop: av. RMS = 1.2976 s
20 40 60 80 100120140160180200 Counts -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 delta-z [km] 40 30 20 Events per 5km Intervall 10 0 Simultane 3D-Inversion für Hypozentren und Krustenstruktur Verschiebung der Hypozentren nach Relokalisierung mit 1D-Modell -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 delta-z [km] 30 20 Events per 5km Intervall 10 0 20 40 60 80 100120140160180200 Counts 40
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?
9x9-Modelle, beste Lösungen, Anpassung um 11% besser mit Anisotropie links: isotropes Ergebnis mit TSS = 34240 s², av. RMS = 1.2228 s rechts: anisotropes Ergebnis mit TSS = 30743 s², av. RMS = 1.1587 s
Auflösungstests für 9x9 isotrop, optimale Lösungen links: ohne noise TSS = 18 s², av. RMS = 0.0286 s rechts: mit noise σ = 0.3 s, TSS = 2005 s², av. RMS = 0.3001 s
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
Modelle mit Blockauflösung 15x15 iso- und anisotrope 1. Inversion, TSS-Hypo = 56452 links: isotrop, TSS = 37606 s², av. RMS = 1.2815 s, Vpn-mittel = 8.03km/s +-0.1174 rechts: anisotrop, TSS = 35716 s², av. RMS = 1.1626 s, Vpn-mittel = 8.04km/s +-0.1057
Vergleich zwischen isotroper und anisotroper Lösung, TSS-Hypo = 56452 s², 5% Verbesserung links: isotrope Inversion, TSS = 32048 s², Vpn-mittel = 7.975km/s +- 0.2000 rechts: anisotrope Inversion, TSS = 30948.8 s², Vpn-mittel = 7,997km/s +- 0,1900
Auflösungstests mittels Checkerboard, optimale Lösungen links: ohne noise TSS = 561 s², av. RMS = 0.1588 s rechts: mit noise σ = 0.3 s, TSS = 1856 s², av. RMS = 0.2887 s
Modelle mit Blockauflösung 35x35 Isotrope und anisotrope Inversion
Modelle mit Blockauflösung 35x35, Anisotropie bei 27, GAP 180, TSS-hypo = 56960 s² links: isotrope Inversion, TSS = 31566 s², av. RMS = 1.1650 s, Vp-mittel = 8,008 rechts: anisotrope Inversion, TSS = 30638 s², av. RMS = 1.1478 s, vp-mittel = 8,008
Auflösungstest für 35x35, optimale Lösungen links: ohne noise, TSS = 52.0 s², av. RMS = 0.0479 s rechts: mit noise σ = 0.1s,TSS = 250 s², av. RMS = 0.1050 s
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)
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