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Westerhaus, Malte: Quellen und Übertragungsmechanismen des seismischen Rauschens im Frequenzbereich von 0.01 bis 10 mHz

Förderung: DFG

Laufzeit: 2001 – 2004

Antragsteller

Im Fokus der Arbeiten stand der Zusammenhang zwischen lokal registriertem Luftdruck, Niederschlägen sowie Wind und dem Rauschen in langperiodischen Seismogrammen. Die Untersuchungen resultierten in mehreren Veröffentlichungen:

  1. Zürn et al. (2006) untersuchen die Effektivität zweier einfacher physikalischer Modelle der Luftdruckeffekte in den horizontalen seismischen Komponenten bei tiefen Frequenzen (unterhalb 10 mHz) am weltweit anerkannt ruhigen Black Forest Observatory (BFO). Durch Kombination der beiden Modelle kann das Rauschen um 5% bis 94 % reduziert werden. Die Untersuchungen resultieren in einer einfachen Methode, mit der seismische Beobachtungen verbessert werden können: die Hilbert-Transformierte des lokal registrierten Luftdrucks muss zusammen mit dem direkten Luftdruck mittels der Methode der Kleinsten Fehlerquadrate an die Seismogramme angepasst und die Residuen gebildet werden. Weitere Verbesserungen in den Korrekturen lassen sich möglicherweise erzielen, wenn Geschwindigkeiten und Richtungen von propagierenden Fronten, Wellen etc. sowie räumliche Druckgradienten bekannt wären. Diese Größen könnten aus einem Mikrobarometer-Netz ermittelt werden.
  2. Zürn & Wielandt (2006) ist es gelungen, mit physikalischen Überlegungen zu verstehen, weshalb im Leistungsspektrum des vertikalen seismischen Rauschens bei etwa 3 mHz ein erstes Minimum auftritt. Dieses global beobachtete Phänomen wird mit größter Wahrscheinlichkeit verursacht durch die sich kompensierenden Effekte (nicht-instrumenteller Art) der lokalen Atmosphäre: Gravitationswirkung gegen Freilufteffekt und Trägheitsbeschleunigung. Gleichzeitig erklärt dieses Verständnis auch zum Teil das deutlich höhere Rauschen der Horizontalkomponenten bei langen Perioden.
  3. Kroner et al. (2005) und Steffen et al. (2005) können mit Hilfe von 3D Finite-Elemente-Modellierungen unter Berücksichtigung der wesentlichen topographischen,  geologischen und baulichen Strukturen des BFO und des Geodynamischen Observatoriums Moxa (MOX) die unter Punkt 2 beschriebenen Beobachtungen und physikalischen Modelle prinzipiell bestätigen. Für verschiedene Belastungsszenarien (Auflast, Winddruck, propagierende Druckfront) wurden signifikante Effekte an den Aufstellungsorten der Messinstrumente modelliert; mit Ausnahme der Strainkomponenten in Moxa und der EW-Neigungskomponente am BFO sind die Berechnungen in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Die verbleibenden Differenzen zwischen Beobachtung und Modell können vermutlich durch zusätzliche Verfeinerungen des Modells (Hohlräume, Klüfte etc.) verringert werden.
  4. Westerhaus & Welle (2002) weisen nach, dass das Rauschen in den Registrierungen von Neigungsmessern am Vulkan Merapi durch zwei einfache Konvolutionsansätze mit Hilfe lokaler Regenregistrierungen signifikant verbessert werden kann. Diese Methode funktioniert allerdings nicht für die langperiodische Driftänderungen, die mit dem Wechsel zwischen Regen- und Trockenzeit einhergehen. Neue 3D Finite-Elemente Modellierungen unter Berücksichtigung eines hochauflösenden digitalen Geländemodells des Vulkans zeigen, dass diese hydrologisch induzierten saisonalen Signale in der Radialkomponente das gleiche räumliche Muster zeigen wie Neigungsanomalien, die durch Druckänderungen im magmatischen Transportsystem des Vulkans erzeugt werden. Eine Unterscheidung zwischen beiden Quellen ist nur mit Hilfe der stark topographieabhängigen Tangentialkomponenten möglich.

Literatur:

Zürn, W., Exß, J., Steffen, H., Kroner, C., Jahr, T. & Westerhaus, M., 2006. On reduction of long period horizontal seismic noise using local barometric pressure,  Geophys. J. Int., 171: 780 -796.

Zürn, W. & Wielandt, E., 2006. On the minimum of vertical seismic noise near 3 mHz, Geophys. J. Int., 168: 647 - 658. doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03189.x

Kroner, C., Jahr, T., Kuhlmann, S. & Fischer, K., 2005. Pressure-induced noise on horizontal seismometer and strainmeter records evaluated by finite element modelling, Geophys. J. Int., 161, 167-178.

Pressure-Induced Noise in Horzontal Components for the Observatories Moxa and Schiltach, J. Geodyn., 41, 242 – 252.

Westerhaus, M. & Welle, W. 2002. Environmental effects on tilt measurements at Merapi volcano, Bull. Inf. Marees Terrestres, 137, 10917 – 10926.

Westerhaus, M., Heidbach, O., Altmann, J. (2008). Using topographic signatures to classify internally and externally driven tilt anomalies at Merapi Volcano, Java, Indonesia, Geophys. Res. Lett., 35, L05310, doi:10.1029/2007GL032262.