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Hydroseismology - ambient seismic noise monitoring and Earth's shallow hydrosphere
Richard Amon Kramer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Geophysik
Betreuer*in
Götz Bokelmann
DOI
10.25365/thesis.79255
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15430.14775.455491-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Da der Wasserkreislauf aufgrund der übermäßigen Nutzung durch den Menschen und der globalen Erwärmung mehr und mehr gestört wird, werden die Überwachung und das Management dieser Ressource immer wichtiger. Mithilfe traditioneller satelliten- oder bohrlochgestützter Untersuchungen lässt sich der aktuelle Zustand der Hydrosphäre der Erde umfassend ermitteln. Diese Methoden weisen jedoch entweder eine unzureichende räumliche oder zeitliche Abdeckung auf. In den letzten Jahren hat sich ein neuer Zweig seismologischer Anwendungen herausgebildet, der auf der Untersuchung von Umgebungsrauschen basiert. Die Umweltseismologie konzentriert sich speziell auf die Untersuchung kontinuierlicher zeitlicher Veränderungen der seismischen Geschwindigkeiten im Untergrund, die mit Umweltveränderungen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen oder Veränderungen der Hydrologie, zusammenhängen. Dieses Konzept nutzt bestehende und künftige seismische Netze als Umweltsensoren und ist daher ein vielversprechender Ansatz, um die Beobachtungslücke zwischen den traditionellen Methoden zu schließen. Mithilfe dieser Netzwerke können Veränderungen wichtiger Parameter wie Meeresaktivität, Grundwassertiefe, Bodenfeuchtigkeit und Eisdicke erfasst werden. Die Empfindlichkeit der seismischen Wellen für diese Eigenschaften gibt Aufschluss über die Dynamik schneller Veränderungen auf unserem Planeten. Darüber hinaus nutzt dieser neue Ansatz die zunehmende Zahl seismischer Stationen sowie deren verbesserte Abdeckung, was zu einer vollständigeren zeitlichen und räumlichen Auflösung beiträgt. Ziel dieser Arbeit ist es, das Anwendungsspektrum der seismischen Geschwindigkeitsüberwachung zu erweitern. Durch Kreuzkorrelation von Langzeitaufzeichnungen des Umgebungsrauschens und anschließendes Stapeln, lassen sich empirische Greensche Funktionen extrahieren. Mittels Coda-Wave-Interferometrie (CWI) können anschließend Geschwindigkeitsänderungen mit einer Präzision von 10^-4–10^-5 nachgewiesen werden. Wir verwenden zunächst ein dichtes lokales seismisches Array in Deutschland und dann regionale Netzwerke in ganz Mitteleuropa, um uns auf periodische relative seismische Geschwindigkeitsänderungen (dv/v) zu konzentrieren. Im Laufe unserer Untersuchungen stellten wir fest, dass diese Veränderungen ausgeprägte tägliche und untertägige Schwankungen aufweisen. Um diese Beobachtungen zu erklären, haben wir Luftdruckschwankungen und ihre Wechselwirkung mit Grundwasserleitern mit Änderungen der seismischen Geschwindigkeit in Verbindung gebracht. Durch die systematische Untersuchung dieses Verhaltens in ganz Europa konnten wir die Anfälligkeit flacher Grundwasserreservoirs bewerten und unser Verständnis dafür verbessern, wie Umweltfaktoren die seismischen Geschwindigkeiten beeinflussen. Darüber hinaus erweitern wir den rein wissenschaftlichen Kontext auf eine industrielle Anwendung, um mögliche Instrumente für ein nachhaltiges Grundwassermanagement bereitzustellen und herkömmliche hydrologische Datensätze zu ergänzen. Wir führen eine Fallstudie durch, in der wir seismische Zeitraffer-Tomographie bei einem kontrollierten Pumpversuch in Österreich anwenden. Wir zeigen, dass passive Bildgebungsverfahren kontinuierliche, räumliche Karten seismischer Geschwindigkeiten liefern, die eng mit Sättigungsänderungen korrelieren. Diese Karten stellen eine wirkungsvolle Ergänzung zu punktuellen Bohrlochmessungen dar. Diese Ergebnisse belegen, dass passives Monitoring nicht nur unser grundlegendes Verständnis von Prozessen im oberflächennahen Untergrund voranbringt, sondern auch praxisnahe, Echtzeit-Einblicke liefert, die ein zukunftsfähiges xix,Wassermanagement unter den Herausforderungen des Klimawandels und steigender Nachfrage unterstützen.
Abstract
(Englisch)
As the disruption of the water cycle accelerates due to human overexploitation and global warming, monitoring and managing this resource has become increasingly important. Traditional satellite or well-based investigations offer a thorough overview of the current state of Earth's hydrosphere. However, those methods either lack sufficient spatial or temporal coverage. In recent years, a new branch of seismological applications based on ambient noise seismology has emerged. Environmental seismology focuses specifically on investigating the continuous temporal changes in seismic velocities within the subsurface that are related to environmental changes, such as variations in temperature or hydrology. This concept transforms existing and future seismic networks into environmental monitoring tools and is therefore a promising approach to bridging the observation gap between the traditional methods. These networks can track changes in key parameters such as ocean activity, groundwater depth, soil moisture, and ice thickness. The sensitivity of seismic waves to these properties provides insight into the dynamics of rapid changes occurring on our planet. Additionally, this new approach leverages the growing number of seismic stations and improved station coverage contributing to a more complete temporal and spatial resolution. This thesis aims to expand the range of applications of seismic velocity monitoring to the Earth's hydrosphere. Cross-correlating time series of continuous ambient noise recordings and stacking the resulting noise correlations makes it possible to extract empirical Green's functions. Repeating this process provides a means of continuously probing the properties of the shallow Earth's subsurface down to the crust. Applying the concepts of coda wave interferometry (CWI) enables the detection and linking of velocity changes with a precision of 10^-4–10^-5 to various parameters and influences. First, we use a dense local seismic array in Germany, and then regional networks across Central Europe, to focus on periodic relative seismic velocity changes (dv/v). Throughout our investigations, we discovered that these changes contain pronounced daily and sub-daily contributions. We linked air pressure fluctuations and their interaction with groundwater aquifers to changes in seismic velocity to explain our observations. Systematically investigating this behavior across Europe allowed us to evaluate the vulnerability of shallow groundwater reservoirs and improve our understanding of how environmental factors influence seismic velocities. Furthermore, we extend the purely scientific context to an industrial application, using ambient seismology to provide tools for sustainable groundwater management and complement traditional hydrological datasets. We conduct a case study, applying time-lapse seismic tomography of a controlled pumping test in Austria, and demonstrate that passive imaging can be used for monitoring and provide continuous, spatial maps of seismic velocities closely linked to saturation changes. These maps offer a powerful complement to point-based well measurements. These aspects show that ambient seismic monitoring advances our fundamental understanding of near-surface Earth processes and delivers practical, real-time insights to support water resource management under the pressures of climate change and human demand.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Seismologie Seismisches Umgebungsrauschen Umweltseismologie Seismisches Monitoring Tomographie
Schlagwörter
(Englisch)
Seismology Ambient Seismic Noise Environmental Seismology Seismic Monitoring Tomography
Autor*innen
Richard Amon Kramer
Haupttitel (Englisch)
Hydroseismology - ambient seismic noise monitoring and Earth's shallow hydrosphere
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xix, 130 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stephane Garambois ,
Gregor Hillers
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.38 Seismologie
AC Nummer
AC17638632
Utheses ID
76220
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 416 |