GOCE Schwerefeld-Gradienten: Geophysikalische Modellierung am Beispiel des Japan-Tohoku-Oki Erdbeben
M. Fuchs, J. Bouman , C. Haberkorn , V. Lieb, M. Schmidt Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut (DGFI) Centrum für Geodätische Erdsystemforschung (CGE) München email:
[email protected]
FGS-Workshop-Wettzell Wettzell 25.04.2013
AGENDA 1. Nutzung von Schwerefeldinformation in der geophysikalischen Anwendung 2. Co-seismische Änderungen durch das Japan-Tohoku-Oki Erdbeben a) Geometrische Oberflächen-Deformation 3. Die GOCE-Mission im Vergleich mit GRACE 4. Ermittlung des Erdschwerefeldes im Gebiet von Japan a) Hintergrundmodelle b) Gravimetrische Änderung 5. Rückschlüsse von gravimetrischen und geometrischen Verfahren in der geophysikalischen Modellierung
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Nutzung von Schwerefeldinformation in der geophysikalischen Anwendung Stokes Integral
Geoid
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Nutzung von Schwerefeldinformation in der Geophysikalischen Anwendung Schichtenmodell für Norwegen
GOCE-Gradienten sensitive gegenüber Dichteänderungen in der Erdkruste u.a. auch Mohotiefe Nutzung der Schwerefeldinformation für geophysikalische Explorationszwecke
goce4interior.dgfi.badw.de 4
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Beispiel Japan Tohoku-Oki Edbeben • Subduktionszone mit ausgeprägter Plattentektonik (Ring of Fire) •
Simons et al. 2011
~8 cm/Jahr Bewegung der Pazifischen Platte auf die Eurasische Platte • 11. März 2011 - Hauptbeben der Stärke 9.0 Mw • Horizontaler Versatz von max 4.3m • Ozean ~40m • Vertikaler Versatz von 60 cm • Ozean ~6m • Sehr gute Datenlage: • GSI-Geospatial Information Authority Japan • Seismisches-Stations-Netzwerk ••Aufbau Massiver Nachbeben von Spannungsabbau Kompressions-Spannungen sowie post-seismische Entspannung • Absinken Verhaken der Platten der beider Kontinental-Kruste Platten • Anhebung Aufschiebung der (engl. Ozeanischen-Kruste Thrust-fault)
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Beispiel Japan Tohoku-Oki Edbeben • Subduktionszone mit ausgeprägter Plattentektonik (Ring of Fire) •
Simons et al. 2011
~8 cm/Jahr Bewegung der Pazifischen Platte auf die Eurasische Platte • 11. März 2011 - Hauptbeben der Stärke 9.0 Mw • Horizontaler Versatz von max 4.3m • Ozean ~40m • Vertikaler Versatz von 60 cm • Ozean ~6m • Sehr gute Datenlage: • GSI-Geospatial Information Authority Japan • Seismisches-Stations-Netzwerk ••Aufbau Massiver Nachbeben von Spannungsabbau Kompressions-Spannungen sowie post-seismische Entspannung • Absinken Verhaken der Platten der beider Kontinental-Kruste Platten • Anhebung Aufschiebung der (engl. Ozeanischen-Kruste Thrust-fault)
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Beispiel Japan Tohoku-Oki Edbeben • Subduktionszone mit ausgeprägter Plattentektonik (Ring of Fire) •
Simons et al. 2011
~8 cm/Jahr Bewegung der Pazifischen Platte auf die Eurasische Platte • 11. März 2011 - Hauptbeben der Stärke 9.0 Mw • Horizontaler Versatz von max 4.3m • Ozean ~40m • Vertikaler Versatz von 60 cm • Ozean ~6m • Sehr gute Datenlage: • GSI-Geospatial Information Authority Japan • Seismisches-Stations-Netzwerk ••Aufbau Massiver Nachbeben von Spannungsabbau Kompressions-Spannungen sowie post-seismische Entspannung • Absinken Verhaken der Platten der beider Kontinental-Kruste Platten • Anhebung Aufschiebung der (engl. Ozeanischen-Kruste Thrust-fault)
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Schwerefeldmissionen GRACE
GOCE
Orbithöhe 450 km
Orbithöhe 255 km (jetzt 235 km)
Keine fixierte Orbitbahn
Fester Wiederholzyklus (61 Tage)
KBR (1D)
Gradiententensor (3D)
Sehr genau im unteren SH-Bereich
Fokus: Hohe räumliche Auflösung
2002 – 2015 (?)
2009 – 2013
CSR monatliche Lsg. bis d/o 60
Gradientenmessungen (1s smp)
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Schwerefeldmissionen GRACE
GOCE
Orbithöhe 450 km
Orbithöhe 255 km (jetzt 235 km)
Keine fixierte Orbitbahn
Fester Wiederholzyklus (61 Tage)
KBR (1D)
Gradiententensor (3D)
Sehr genau im unteren SH-Bereich
Fokus: Hohe räumliche Auflösung
2002 – 2015 (?)
2009 – 2013
CSR monatliche Lsg. bis d/o 60
Erstmalige Detektion Gradientenmessungen (1s smp) von zeitvariablem SWF-Signal
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Statisches-Referenz-SWF GOCO-03s (T.M.-Gürr et al. 2011) 5 Jahre SLR Beobachtungen Nov. 2009 – April 2011 GOCE Gradiometer Daten (1.5 Monat Post-Erdbeben Überschneidung) 7.5 Jahre GRACE Daten Differenz zu GOCO03s
Pre
PRE-EQ 12 Monate GOCE + 16 Monate GRACE
μGal
Lokale Verbesserung ?
Post
Diff.
μGal
μGal
-Niederfrequenter Anteil aus GRACE - CSR-Lösung -Feinskalige Strukturen aus GOCE - Release 2 Daten - Regularisierung ?
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Zeitliche Korrekturen
Gezeiten
Hydrologie
(Entlang der Bahn) HPF-L2 Prozessierung
(Monatliche GLDAS Lösungen)
Atmosphären und Ozean Dealiasing HPF-L2 Prozessierung SST-AUX
Bild: Savcenko
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GRACE und GOCE liefern unabhängige Daten Modell--Rechnung nach Hayes Modell
• Gradienten zeigen Strukturen im SWF gut auf • GRACE Lösung zeigt O-W Streifen • CSR-Reihe bis Grad 60 • GOCE-Messung ist band begrenzt • Filter-Untergrenze 10 mHz (>Grad ~54)
GRACE
GOCE--Vzz GOCE
VZZ – radiale 2te Abl. 255 km OrbitHöhe
Beobachtungsdifferenz zu GOCO03s
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GRACE und GOCE liefern unabhängige Daten Modell--Rechnung nach Hayes Modell
• Gradienten zeigen Strukturen im SWF gut auf • GRACE Lösung zeigt O-W Streifen • CSR-Reihe bis Grad 60 • GOCE-Messung ist band begrenzt • Filter-Untergrenze 10 mHz (>Grad ~54)
GRACE
GOCE--Vzz GOCE
VZZ – radiale 2te Abl. 255 km OrbitHöhe
Beobachtungsdifferenz zu GOCO03s
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Vermessung der Bruchstruktur GRACE + GOCE Kombinierte SWF-Störung Faltungs-Parameter Bruch-Richtung
Energie
μGal
-
9.1 Mw
9.0 Mw
Bruch-Länge
~500 km
~350 km
~450 km
Strike-Winkel
213°
195°
201°
30 km
30 km
21 km
8.3°
10°
14°
SWF
Hayes
Wei
Tiefe
213°
Dip-Winkel
Regularisierte-Lsg. ~ 130km Gaussian-Filter
Bruchfläche
8.3°
Faltungsebene
Ermittelt durch Korrelationsstudie der Vorwärtsmodellierung Best – Modell - fit 14
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Post seismische Änderung
38° Nord / 139° West # CSR # GFZ
μGal
GRACE ~17% des Gesamtsignals unterliegen post seismischen Änderungen
Für die CSR-Fehler-Abschätzung wurden die Sigma-Koeff. der JPL-Lsg. verwendet + 300km Gaussian Filter
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Post seismische Änderung
38° Nord / 139° West # CSR # GFZ
μGal
GRACE ~17% des Gesamtsignals unterliegen post seismischen Änderungen
Für die CSR-Fehler-Abschätzung wurden die Sigma-Koeff. der JPL-Lsg. verwendet + 300km Gaussian Filter
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Vergleich zu GPS
• Diskrepanz zwischen GPS und GRACE Messung • Asymmetrische Datenlage
GRACE
GPS
Gemeinsame Inversion von geometrischen und gravimetrischen Daten ausstehend Besseres Verständnis der Geophysikalischen Prozesse Feng et al. EGU-2013
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Zusammenfassung • Feinskalige Strukturen des Erdschwerefeldes erlauben Rückschlüsse auf die integrale Massenverteilung des Erdinneren • Schwerefeld-Gradienten besonders sensitiv gegenüber der Erdkrustenstruktur • Tohoku-Oki Erdbeben verursachte Deformation der Erdkruste • Massentransport ist sichtbar im Erdschwerefeld gemessen mit GRACE und GOCE • GOCE Messungen können GRACE Information ergänzen • Abbild im Erdschwerefeld lässt geophysikalische Interpretation zu • Vergleich von Faltungsparameter Modell und Messung • Diskrepanz zwischen Geometrie und Gravimetrie • Verbesserung der Modellierung ? Ausblick: • Validierung mit terrestrischen Daten oder zusätzlichen Datentypen (SAR) • Gemeinsame Inversion • Zeitliche Veränderungen lassen Rückschlüsse auf Rheologie zu
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Weiterführende Anwendungen Feinskalige Schwerefeld information aus GOCE kann helfen Massentransport besser zu quantifizieren
GOCE+ STSE: GOCE time variations gocedt.dgfi.badw.de 19
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Schwerefeld-Modellierung VXX
VYY
VZZ VXZ
∆z ∆y
∆x
Voxel elemente
Heck und Seitz 2007
∆x = ∆y = ∆z = 75 km ∆d = 37.5 km
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Korreltations studie
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