Christian Pelties
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Geophysik - Department Geo- und Umweltwissenschaften

Prof. Jean-Paul Ampuero
California Institute of Technology, Pasadena (CALTECH)
Seismological Laboratory

Die Physik von Erdbeben zu verstehen, ist momentan eine der großen Herausforderungen der Geowissenschaften. Erdbebenbruchausbreitung ist ein höchst komplexer Prozess, der mehrere gekoppelte Phänomene beinhaltet, und geschieht zudem in Tiefen, die nicht direkt beobachtbar sind. Daher sind numerische Experimente in Form von Simulationen der dynamischen Bruchausbreitung ein wichtiges Instrument sowohl für die Grundlagenforschung als auch in der angewandten Erdbebenprognostik. Die dynamische Bruchausbreitung basiert auf physikalischen Modellen, die die Bruchausbreitung entlang der Störung mit der seismischen Wellenausbreitung und der resultierenden Bodenbewegung in Beziehung setzen. Die mathematische Formulierung dieses Problems ist nur unter Einsatz von fortgeschrittensten numerischen Methoden und Höchstleistungsrechnern zu lösen.

Ziel des gemeinsamen Forschungsvorhabens vom Caltech und der LMU ist, die kürzlich entwickelte Software SeisSol auf offene Fragen in der dynamischen Bruchausbreitung anzuwenden. Insbesondere sollen Niedriggeschwindigkeitsstrukturen um Störungen und deren Einfluss auf die Generierung von hochfrequenten Bodenbewegungen untersucht werden. Ein besseres Verständnis auf diesem Gebiet hätte das Potential die seismische Riskoabschätzung zu verbessern.

Abschlussbericht:

Im Rahmen dieses Projektes wurde der Einfluss dreidimensionaler Niedriggeschwindigkeitsstrukturen um Erdbeben-Störungen auf die Erdbebenbruchdynamik sowie die Generierung von hochfrequenten Bodenbewegungen mittels der Software SeisSol untersucht. Die erfolgreiche Kollaboration führte zu zwei wissenschaftlichen Gastaufenthalten, sowie der Realisierung eines Blockkurses zum aktuellen Wissenstand in Bruchdynamik-Simulationen. Die erreichten Ergebnisse wurden in Form einer Publikation im “Journal of Applied Geophysics” und eines Konferenzbeitrages auf der EGU Frühjahrstagung 2013 in Wien publiziert [1,2].

Dank der hochauflösenden und flexiblen Gittererzeugung mit SeisSol, konnten zwei-dimensionale Vorarbeiten auf drei Dimensionen erweitert werden und somit der Effekt allgemeiner "blütenförmiger" Niedriggeschwindigkeitsstrukturen analysiert werden. Wir konnten zeigen, dass der Erzeugungsmechanismus für Erdbebenpulse, welcher in 2D beschrieben wurde, auch in 3D wirksam ist. Zusätzlich, konnten wir einen neuartigen Mechanismus identifizieren welcher durch Wellenabstrahlung in der Interaktion des Bruches und der Erdoberfläche Erdbebenpulse erzeugt. Unsere Resultate implizieren, dass die Erzeugung von Erdbebenpulsen eine robuste Beobachtung auch in der Komplexität drei-dimensionaler Niedriggeschwindigkeitsstrukturen ist, die zur Generierung von hochfrequenten Bodenbewegungen in der Nähe von Bruchzonen beiträgt.

Zukünftige Erbebenszenarien sollen die Bruchdynamik auf realistischen, komplizierten Geometrien der Erdbeben-Störung im Zusammenhang mit Niedriggeschwindigkeitsstrukturen untersuchen.

[1] Pelties, C., Y. Huang, and J.-P. Ampuero (2014), Pulse-like rupture induced by three-dimensional fault zone flower structures, Pure Appl. Geophys., doi: 10.1007/s00024-014-0881-0.

[2] Pelties, C., Y. Huang, and J.-P. Ampuero (2013), Pulse-like rupture induced by three-dimensional fault zone flower structures, EGU General Assembly Conference Abstracts, 15, 269.