Time-dependent occurrence rates of large earthquakes in the Dead Sea fault zone and applications to probabilistic seismic hazard assessments

Die relativ hohe seismische Aktivität der Tote-Meer-Störungszone (Dead Sea Fault Zone - DSFZ) ist mit einem hohen Gefahrenpotential verbunden, welches zu einem erheblichen Erdbebenrisiko für die Ballungszentren in den Ländern Syrien, Libanon, Palästina, Jordanien und Israel führt. Eine Vielzahl massiver, zerstörerischer Erdbeben hat sich in diesem Raum in den letzten zwei Jahrtausenden ereignet. Ihre Wiederholungsrate zeigt Anzeichen für eine zeitliche Abhängigkeit, insbesondere wenn lange Zeiträume in Betracht gezogen werden. Die Berücksichtigung der zeitlichen Abhängigkeit des Auftretens von Erdbeben ist für eine realistische seismische Gefährdungseinschätzung von großer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anhand des zeitabhängigen Auftretens von Erdbeben eine robuste wahrscheinlichkeitstheoretische seismische Gefährdungseinschätzung am Beispiel der DSFZ zu entwickeln. Mittels dieser Methode soll die zeitliche Abhängigkeit des Auftretens von großen Erdbeben (Mw ≥ 6) untersucht und somit eine Gefährdungseinschätzung für das Untersuchungsgebiet getroffen werden. Primär gilt es zu prüfen, ob das Auftreten von großen Erdbeben tatsächlich einer zeitlichen Abhängigkeit unterliegt und wenn ja, inwiefern diese bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck werden insgesamt vier zeitabhängige statistische Verteilungen (Weibull, Gamma, Lognormal und Brownian Passage Time (BPT)) sowie die zeitunabhängige Exponentialverteilung (Poisson-Prozess) getestet. Zur Abschätzung der jeweiligen Modellparameter wird eine modifizierte Methode der gewichteten Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE) verwendet. Um einzuschätzen, ob die Wiederholungsrate von Erdbeben einer unimodalen oder multimodalen Form folgt, wird ein nichtparametrischer Bootstrap-Test für Multimodalität durchgeführt. Im Falle einer multimodalen Form wird neben der MLE zusätzlich eine Erwartungsmaximierungsmethode (EM) herangezogen. Zur Auswahl des am besten geeigneten Modells wird zum einem das Bayesschen Informationskriterium (BIC) und zum anderen der modifizierte Kolmogorow-Smirnow-Goodness-of-Fit-Test angewendet. Abschließend werden mittels der Bootstrap-Methode die Konfidenzintervalle der geschätzten Parameter berechnet. Als Datengrundlage werden Erdbeben mit Mw ≥ 6 seit dem Jahre 300 n. Chr. herangezogen. Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich von 29.5° N bis 37° N und umfasst ein ca. 40 km breites Gebiet entlang der DSFZ. Aufgrund der seismotektonischen Situation im Untersuchungsgebiet wird zwischen einer südlichen, zentralen und nördlichen Subzone unterschieden. Dabei kann die südliche Subzone aus Mangel an Daten nicht für die Analysen herangezogen werden. Die Ergebnisse für die zentrale Subzone zeigen keinen signifikanten multimodalen Verlauf der Wiederholungsrate von Erdbeben. Des Weiteren ist kein signifikanter Unterschied zwischen den zeitabhängigen und dem zeitunabhängigem Modell zu verzeichnen. Da das zeitunabhängige Modell vergleichsweise einfach interpretierbar ist, wird die Wiederholungsrate von Erdbeben in dieser Subzone unter Annahme der Exponentialverteilungs-Hypothese abgeschätzt. Sie wird demnach als zeitunabhängig betrachtet und beträgt 9.72 * 10-3 Erdbeben (mit Mw ≥ 6) pro Jahr. Einen besonderen Fall stellt die nördliche Subzone dar. In diesem Gebiet tritt im Durchschnitt alle 51 Jahre ein massives Erdbeben (Mw ≥ 6) auf. Das letzte Erdbeben dieser Größe ereignete sich 1872 und liegt somit bereits 137 Jahre zurück. Somit ist in diesem Gebiet ein Erdbeben dieser Stärke überfällig. Im statistischen Mittel liegt die Zeit zwischen zwei Erdbeben zu 96% unter 137 Jahren. Zudem wird eine deutliche zeitliche Abhängigkeit der Erdbeben-Wiederauftretensrate durch die Ergebnisse der in der Arbeit neu entwickelten statistischen Verfahren bestätigt. Dabei ist festzustellen, dass die Wiederholungsrate insbesondere kurz nach einem Erdbeben eine sehr hohe zeitliche Abhängigkeit aufweist. Am besten repräsentiert werden die seismischen Bedingungen in der genannten Subzone durch ein bi-modales Weibull-Weibull-Modell. Die Wiederholungsrate ist eine glatte Zeitfunktion, welche zwei Häufungen von Datenpunkten in der Zeit nach dem Erdbeben zeigt. Dabei umfasst die erste Häufung einen Zeitraum von 80 Jahren, ausgehend vom Zeitpunkt des jeweiligen Bebens. Innerhalb dieser Zeitspanne ist die Wiederholungsrate extrem zeitabhängig. Die Wiederholungsrate direkt nach einem Beben ist sehr niedrig und steigert sich in den folgenden 10 Jahren erheblich bis zu einem Maximum von 0.024 Erdbeben/Jahr. Anschließend sinkt die Rate und erreicht ihr Minimum nach weiteren 70 Jahren mit 0.0145 Erdbeben/Jahr. An dieses Minimum schließt sich die zweite Häufung von Daten an, dessen Dauer abhängig von der Erdbebenwiederholungszeit ist. Innerhalb dieses Zeitfensters nimmt die Erdbeben-Wiederauftretensrate annähernd konstant um 0.015 Erdbeben/Jahr zu. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine zeitabhängige probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung (PSHA) für die seismische Quellregion, die den nördlichen Raum der DSFZ umfasst.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Potsdam

Year

2010

Author dc:creator

• Hakimhashemi, Amir Hossein

Contributors dc:contributor

• Weber, Michael H.

• Zeitanhängig
• seismische Gefährdung
• Tote Meer
• Auftretensrate
• Erdbeben
• time dependent
• seismic hazard
• Dead Sea
• occurrence rate
• earthquake

Statement dc:rights

• Creative Commons - Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe zu gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland

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