CTBT-QCRUST
Dämpfungsmodelle der Kruste und globales Detektionsvermögen des IMS-Netzwerkes - Verifikation des CTBT

Land / Region: Deutschland/Europa/Weltweit

Projektanfang: 01.07.2015

Projektende: 30.06.2020

Projektstand: 03.08.2016

Zusammenfassung:
Im Rahmen des Kernwaffenteststoppabkommens (CTBT - Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty) übernimmt die BGR die Rolle des Nationalen Datenzentrums (NDC). Aus dieser Aufgabe heraus ergibt sich auch das Leitziel zur Erfüllung des gesetzlichen Auftrags der Beratung bei Fragen zur Verifikation des CTBT. Die Unterscheidung von kritischen Ereignissen (Kernsprengungen) zu anderen seismischen Quellen (Minensprengungen, Erdbeben), die Abschätzung des Detektionsvermögens des seismischen Netzwerkes des Internationalen Überwachungssystems (IMS), sowie die Bestimmung der Ladungsstärke der Kernsprengung sind Kernpunkte dieses Auftrags. Die Seismologie liefert wesentliche Informationen (breitbandige Aufzeichnungen von 3-Komponenten-Wellenformdaten) für die Identifikation und Verifikation dieser kritischen Ereignisse. Für eine exakte Beschreibung des Wellenfeldes sind dabei genaue Kenntnisse über den Untergrund im Bereich des gesamten Laufweges von Quelle bis zum Empfänger erforderlich. Neben dem 3-D Geschwindigkeitsmodell des Untergrunds werden hierfür Informationen über die seismische intrinsische Dämpfung und Streudämpfung des Mediums benötigt. Ziel des Projektes ist zunächst die Abschätzung des globalen Detektionsvermögens des seismischen Netzwerkes des IMS. In folgenden Schritten sollen flächendeckende und standortspezifische Dämpfungsmodelle erstellt werden, sowie der Untergrund von einzelnen seismischen IMS-Stationen, in Hinsicht auf eine Verbesserung der Magnitudenabschätzung, genauer charakterisiert werden.

1. Abschätzung des globalen Detektionsvermögens des IMS-Netzwerkes (abgeschlossen)
Das globale Detektionsvermögen des seismologischen IMS-Netzwerkes wird mittels einer Methode ermittelt, welche auf globalen Distanzkorrekturkurven, sowie Messungen der seismischen Unruhe an den Stationen, basiert. Die Korrekturterme werden durch die Analyse seismischer Momente und durch die Anwendung der seismischen Reflektivitätsmethode berechnet. Die ermittelten Korrekturwerte werden anschließend für die Bestimmung einer minimal beobachtbaren Magnitude, welche ein Ereignis an einem bestimmten Ort haben muss, um vom Umgebungsrauschen an den einzelnen Stationen des IMS-Netzwerkes unterschieden werden zu können, verwendet.
Die Untersuchungen ergeben einen Schwellwertschalter von ca. 4.0, welcher im globalen Durchschnitt beobachtet werden kann. In Abb. 1 wird das Detektionsvermögen beispielhaft für den Zeitraum 00:00 – 01:00 (UTC) im Januar des Jahres 2013 dargestellt. In diesem Beispiel werden sämtliche verfügbaren seismologischen Stationen des IMS-Netzwerkes verwendet. Eine starke räumliche Abhängigkeit von der geologischen Breite ist zu erkennen.

Abb. 1: Detektionsvermögen des IMS Netzwerkes (Januar 2013, 00:00-01:00 UTC). Stationen des Primärseite sowie des HA-Netzwerkes werden in gelber Farbe dargestellt, Stationen des Hilfsnetzes in rot. Kreise repräsentieren Array-Stationen, Vierecke und Dreiecke stellen 3-Komponenten-Stationen dar Quelle: BGR

2. Erfassung der seismischen Dämpfungseigenschaften der Erdkruste (laufende Arbeit)
Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Erstellung eines flächendeckenden Modells krustaler Streu- und Dämpfungsparameter in Deutschland und angrenzenden Gebieten. Dieses Modell wird mit Hilfe der akustischen Energietransfertheorie erzeugt. Diese Theorie beschreibt die Ausbreitung von seismischer S-Energie unter der Annahme multipler isotroper Streuung. Die Erdkruste wird hierbei durch ein Halbraummodell beschrieben. Nach Abschluss der Untersuchungen in Deutschland soll das Modell auf die europäische Kruste ausgeweitet werden.

3. Standortcharakterisierung von IMS-Stationen (laufende Arbeit)
Dieser Teil des Projekts fokussiert sich auf die Standortcharakterisierung im speziellen von IMS-Stationen. Hierbei sollen Fragestellungen, wie die Tiefe in Abhängigkeit der seismischen Dämpfung, der Einfluss von verschiedenen Verhältnissen von P- und S-Wellendämpfung sowie das Geschwindigkeitsmodell der Kruste unterhalb der Stationen weiter untersucht werden. Für die Untersuchung dieser Fragen werden die elastische Energietransfertheorie sowie seismische Arraymethoden zum Einsatz kommen. Abb.2 zeigt die Ausbreitung seismischer P- und S-Energie, diese Simulationen wurden mittels elastischer Energietransfertheorie berechnet.

Abb. 2: Ausbreitung seismischer P- und S-Energie von einem regionalen, flachen Beben (roter Punkt) in einem stark streuenden Zufallsmedium. Die Ausbreitung der P-Energie wird auf der linken Seite dargestellt, die der S-Energie auf der rechten Seite Quelle: Gaebler et al., 2015, Geophysical Journal International