pseudo-dynamic earthquake source inversion - ETH E

DISS. ETH NO. 23062
PSEUDO-DYNAMIC EARTHQUAKE SOURCE INVERSION
A dissertation submitted to
ETH ZÜRICH
for the degree of
Dr. sc. ETH Zurich
presented by
YOUBING ZHANG
M.Sc in Geophysics, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, China
Born on January 8th 1983
Citizen of People’s Republic of China
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Domenico Giardini
ETH Zürich
Dr. John Clinton
ETH Zürich
Dr. Luis Dalguer
Swissnuclear
Dr. Seok Goo Song
KIGAM
Prof. Dr. Aldo Zollo
Università degli Studi di Napoli Federico II
2016
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Abstract
In this thesis I attempt to understand the effect of the spatial variability of seismic network and physics-based prior constraints on earthquake source inversion. I use synthetic
ground motions derived from a dynamic rupture simulation. The intrinsic ill-posed inverse problem causes non-uniqueness of rupture parameters estimates, and impedes the
detailed imaging of the spatiotemporal source parameters distributions.
In the first part of the thesis, I investigate the effect of network density and geometric distribution on kinematic non-linear source inversion by inverting synthetic ground
motions derived from a Mw 6.5 buried strike-slip dynamic model. Both azimuthal angle
and source-to-station distance of the seismic network play an important role in the source
inversion. My work suggests that the best source model is not necessarily derived from
the model with minimum waveform misfit. A seismic network with a small number of
well-spaced stations around the fault may be sufficient to obtain an acceptable source
inversion model.
In the second part of the thesis, I present the philosophy and implementation of the
pseudo-dynamic source inversion approach. This new method uses physics-based spatial
correlations of kinematic source parameters as prior information. This idea is originally
adopted to emulate the physics of earthquake rupture process in simulating strong ground
motions and avoids the computational demands of full dynamic modelling. The same
concept can also be applied to source inversion in a Bayesian framework by regularising
model space with the prior derived from rupture dynamics. I use the pseudo-dynamic
source inversion approach to investigate the same dynamic rupture model as used in the
first part. The spatial correlation of slip, rupture speed, and peak slip velocity is extracted
as prior. It is shown that the new approach accomplishes a similar level of accuracy
in the estimation of static slip as traditional smoothing approaches, but the temporal
source parameters are well constrained. The estimates of rupture speed and peak slip
velocity are also consistent with the theoretical relations derived from rupture dynamics.
We may benefit from the pseudo-dynamic source inversion approach by constraining the
temporal aspects of earthquake rupture more stably, because these aspects are critical in
understanding earthquake source physics and simulating near-source ground motions in
addition to the static slip.
In the appendix, I demonstrate that GNSS sensors can be used to record high amplitude ground motions, even up to and beyond 10Hz, by comparing GNSS records with
seismic records. Both GNSS receiver and seismic sensors are placed on the same shake
table in the tests. I note that above 1Hz, a GNSS sensor no longer has a simple response
to ground displacement, and the transfer function must be known. This is important as
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100Hz sampling is now feasible for GNSS, and it has recently become common to deploy
at sampling rates of 10∼20sps. Despite their lack of sensitivity to ground displacements
below ∼1cm, GNSS sensors have many merits such as their comparative low-cost, their
lack of sensitivity to tilt, and never saturating. Hence, the GNSS sensor can serve as a
strong motion instrument for measuring near-source strong ground motion in some certain
situation.
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Zusammenfassung
Diese Doktorarbeit behandelt die Wirkung der Variabilität von Beobachtungen und apriori-Grössen, welche aus dynamischen Bruchsimulationen abgeleitet werden, auf die
Schätzung kinematischer Erdbeben-Bruchparameter durch die Inversion synthetischer Bodenbewegungsdaten. Das inverse Problem ist intrinsisch schlecht gestellt. Dies verursacht
uneindeutige Bruchparameter-Schätzungen, und erschwert die detaillierte Abbildung der
raumzeitlichen Quellparameter-Verteilungen.
Im ersten Kapitel untersuche ich die Wirkung von Netzwerkdichte und geometrischen
Verteilung auf kinematische nichtlineare Quellinversion durch Invertierung von synthetischen Bodenbewegungen eines dynamischen Mw 6,5 Modells auf einer Transformverschiebung ohne oberflächlichen Ausdruck. Sowohl der Azimuth als auch der Abstand zwischen
Quelle und Stationen des seismischen Netzes spielt eine wichtige Rolle für die Quellinversion. Es ergibt sich, dass das beste Quellmodell nicht unbedingt zum Modell mit minimalem
Wellenform misfit korrespondiert. Ein seismisches Netzwerk mit einer kleinen Anzahl von
gut verteilten Stationen in der Nähe des Bruchs kann ausreichend sein um eine akzeptable
Quellinversion zu erhalten.
Im zweiten Kapitel stelle ich die Philosophie und die Durchführung einer pseudodynamischen Quellinversion vor. Die neue Methode nutzt die auf Physik beruhende räumliche Korrelation der kinematischen Quellenparameter als A-priori-Information. Dieser
Ansatz wird verwemdet, um die Physik des Erdbebenbruchprozesses zu emulieren, und
so den Rechenaufwand der vollen dynamischen Modellierung zu umgehen. Das gleiche
Konzept kann auf bayesische Inversion angewandt werden, und zwar durch Regularisierung des Modellbereichs mit der a-priori-Information aus der Bruchdynamik.
In Kapitel drei benutze ich den pseudo-dynamischen Quellinversions-Ansatz, um die
gleichen dynamischen Bruchmodelle wie in Kapitel eins zu untersuchen. Die räumliche
Korrelation von Verschiebung, Bruchgeschwindigkeit und maximaler Verschiebungsgeschwindigkeit wird als a-priori-Information extrahiert. Es wird gezeigt, dass der neue
Ansatz bei der Schätzung der statischen Verschiebung einen ähnlichen Grad an Genauigkeit erbringt wie herkömmliche Ansätze, die mit Glättung arbeiten. Die zeitlichen Quellparameter sind gut bestimmt. Die Schätzungen von Bruchgeschwindigkeit und maximaler Verschiebungsgeschwindigkeit stimmen mit den theoretischen Vorhersagen aus der
Bruchdynamik überein. Die pseudo-dynamische Quellen Inversion hat den Vorteil, dass
die zeitliche Entwicklung des Erdbebenbruchs stabiler eingeschränkt ist, da sie ein wichtiges Element für das Verständnis der Physik der Erdbebenquelle und der Simulation von
Nahfeld-Bodenbewegungen ist, zusätzlich zur statischen Verschiebung.
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Im Anhang messe ich quantitativ die Leistung der High-Rate GNSS im Vergleich zu
Starkbeben-Seismometern. Die Entwicklung von High-Rate (bis 100 Hz) GNSS, deren
Vorteile Kostengünstigkeit, Unempfindlichkeit gegen Tilt, und eine nicht saturierende
Skala sind, bietet die Möglichkeit, diese als Starkbebeninstrument zu nutzen und die
Bodenbewegung im Nahfeld zu messen. Ein Test zeigt die zufriedenstellende Aufzeichnung
von Bodenbewegungen bis zu 1 Hz mit den High-Rate GNSS, bricht aber bei höheren
Frequenzen im Vergleich zu Seismometer ab.
Un

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