Katrin Kieling

• In many procedures of seismic risk mitigation, ground motion simulations are needed to test systems or improve their effectiveness. For example they may be used to estimate the level of ground shaking caused by future earthquakes. Good physical models for ground motion simulation are also thought to be important for hazard assessment, as they could close gaps in the existing datasets. Since the observed ground motion in nature shows a certain variability, part of which cannot be explained by macroscopic parameters such as magnitude or position of an earthquake, it would be desirable that a good physical model is not only able to produce one single seismogram, but also to reveal this natural variability. In this thesis, I develop a method to model realistic ground motions in a way that is computationally simple to handle, permitting multiple scenario simulations. I focus on two aspects of ground motion modelling. First, I use deterministic wave propagation for the whole frequency range – from static deformation to approximately 10 HzIn many procedures of seismic risk mitigation, ground motion simulations are needed to test systems or improve their effectiveness. For example they may be used to estimate the level of ground shaking caused by future earthquakes. Good physical models for ground motion simulation are also thought to be important for hazard assessment, as they could close gaps in the existing datasets. Since the observed ground motion in nature shows a certain variability, part of which cannot be explained by macroscopic parameters such as magnitude or position of an earthquake, it would be desirable that a good physical model is not only able to produce one single seismogram, but also to reveal this natural variability. In this thesis, I develop a method to model realistic ground motions in a way that is computationally simple to handle, permitting multiple scenario simulations. I focus on two aspects of ground motion modelling. First, I use deterministic wave propagation for the whole frequency range – from static deformation to approximately 10 Hz – but account for source variability by implementing self-similar slip distributions and rough fault interfaces. Second, I scale the source spectrum so that the modelled waveforms represent the correct radiated seismic energy. With this scaling I verify whether the energy magnitude is suitable as an explanatory variable, which characterises the amount of energy radiated at high frequencies – the advantage of the energy magnitude being that it can be deduced from observations, even in real-time. Applications of the developed method for the 2008 Wenchuan (China) earthquake, the 2003 Tokachi-Oki (Japan) earthquake and the 1994 Northridge (California, USA) earthquake show that the fine source discretisations combined with the small scale source variability ensure that high frequencies are satisfactorily introduced, justifying the deterministic wave propagation approach even at high frequencies. I demonstrate that the energy magnitude can be used to calibrate the high-frequency content in ground motion simulations. Because deterministic wave propagation is applied to the whole frequency range, the simulation method permits the quantification of the variability in ground motion due to parametric uncertainties in the source description. A large number of scenario simulations for an M=6 earthquake show that the roughness of the source as well as the distribution of fault dislocations have a minor effect on the simulated variability by diminishing directivity effects, while hypocenter location and rupture velocity more strongly influence the variability. The uncertainty in energy magnitude, however, leads to the largest differences of ground motion amplitude between different events, resulting in a variability which is larger than the one observed. For the presented approach, this dissertation shows (i) the verification of the computational correctness of the code, (ii) the ability to reproduce observed ground motions and (iii) the validation of the simulated ground motion variability. Those three steps are essential to evaluate the suitability of the method for means of seismic risk mitigation.…
• In vielen Verfahren zur Minimierung seismischen Risikos braucht man Seismogramme, um die Effektivität von Systemen zu testen oder diese zu verbessern. So können realistische Bodenbewegungen genutzt werden, um das Ausmaß der Erschütterungen durch zukünftige Erdbeben abzuschätzen. Gute physikalische Bodenbewegungsmodelle haben auch das Potential, Lücken in den beobachteten Datensätzen zu schließen und somit Gefährdungsabschätzungen zu verbessern. Da die in der Natur beobachtete Bodenbewegung einer gewissen Variabilität unterliegt, von der ein Teil nicht durch makroskopische Parameter wie Magnitude oder Position des Erdbebens erklärt werden kann, ist es wünschenswert, dass ein gutes physikalisches Modell nicht nur ein einzelnes Seismogramm produziert, sondern auch die natürliche Variabilität widerspiegelt. In dieser Arbeit beschreibe ich eine Methode zur Modellierung von realistischen Bodenbewegungen, die – aufgrund ihrer einfachen Modellkonfiguration – mehrere Szenario-Simulationen ermöglicht. Dabei konzentriere ich mich auf zweiIn vielen Verfahren zur Minimierung seismischen Risikos braucht man Seismogramme, um die Effektivität von Systemen zu testen oder diese zu verbessern. So können realistische Bodenbewegungen genutzt werden, um das Ausmaß der Erschütterungen durch zukünftige Erdbeben abzuschätzen. Gute physikalische Bodenbewegungsmodelle haben auch das Potential, Lücken in den beobachteten Datensätzen zu schließen und somit Gefährdungsabschätzungen zu verbessern. Da die in der Natur beobachtete Bodenbewegung einer gewissen Variabilität unterliegt, von der ein Teil nicht durch makroskopische Parameter wie Magnitude oder Position des Erdbebens erklärt werden kann, ist es wünschenswert, dass ein gutes physikalisches Modell nicht nur ein einzelnes Seismogramm produziert, sondern auch die natürliche Variabilität widerspiegelt. In dieser Arbeit beschreibe ich eine Methode zur Modellierung von realistischen Bodenbewegungen, die – aufgrund ihrer einfachen Modellkonfiguration – mehrere Szenario-Simulationen ermöglicht. Dabei konzentriere ich mich auf zwei Aspekte: Einerseits nutze ich ein deterministisches Verfahren für die Wellenausbreitung für den gesamten Frequenzbereich, von der statischen Deformation bis etwa 10 Hz, unter Berücksichtigung der Variabilität der Quelle durch die Einbeziehung von selbstähnlichen Slipverteilungen und rauen Störungsflächen. Andererseits skaliere ich das Quellspektrum so, dass die modellierte Wellenform die abgestrahlte seismische Ener-gie wiedergibt. Damit überprüfe ich, ob die Energie-Magnitude als Stellgröße geeignet ist, die den Anteil der Energie beschreibt, der im Hochfrequenzbereich abgestrahlt wird. Der Vorteil der Energie- Magnitude ist, dass diese aus Beobachtungen, sogar in sehr kurzer Zeit, ermittelt werden kann. Anwendungen der entwickelten Methode für das Wenchuan (China) Erdbeben von 2008, das Tokachi-Oki (Japan) Erdbeben von 2003 und das Northridge (Kalifornien, USA) Erdbeben von 1994 demonstrieren, dass durch eine feine Diskretisierung und kleinskalige Variabilität in der Quelle hohe Frequenzen ausreichend in die Wellenform eingeführt werden, was den deterministischen Ansatz auch im Hochfrequenzbereich bestätigt. Ich zeige, dass die Energie-Magnitude verwendet werden kann um den Hochfrequenzanteil in Bodenbewegungssimulationen zu kalibrieren. Da die determistische Wellenausbreitung auf den gesamten Frequenzbereich angewandt wird, können die Variabilitäten, die durch parametrische Unsicherheiten in der Quellbeschreibung entstehen, beziffert werden. Zahlreiche Simulationen für ein M=6 Beben zeigen, dass die Rauigkeit der Quelle und die Slipverteilung durch Minderung der Direktivitätseffekte die simulierte Variabilität der Bodenbewegung geringfügig verringern. Dagegen haben die Bruchgeschwindigkeit und die Lage des Hypozentrums einen stärkeren Einfluss auf die Variabilität. Die Unsicherheit in der Energie-Magnitude dagegen führt zu großen Unterschieden zwischen verschiedenen Erdbebensimulationen, welche größer sind als die beobachtete Variabilität von Bodenbewegungen. In Bezug auf die vorgestellte Methode zeigt diese Arbeit (i) den Nachweis der Richtigkeit des Computerprogramms, (ii) die Eignung zur Modellierung beobachteter Bodenbewegung und (iii) den Vergleich der simulierten Variabilität von Bodenbewegung mit der beobachteten. Dies sind die ersten drei Schritte auf dem Weg zur Nutzbarkeit von Bodenbewegungssimulationen in Maßnahmen zur Verminderung des seismischen Risikos.…