Thema 2 des Geotechnologienprogramms
Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum

	

Vorhabenbeschreibung

Entwicklung eines Ringlaser-Geosensors
auf der Basis inertialer Rotationsmessung

Teilantrag

Beobachtung, Simulation und Interpretation der
Rotationsbewegung seismischer Signale

Prof. Dr. Heiner Igel
Institut für Geophysik
Ludwig-Maximilians-Universität München

I.	Ziele

I.a. Gesamtziel des Vorhabens

Ziel dieses Antrags ist die Verbesserung der permanenten Beobachtung des Georisikos Erdbeben durch die - zu den üblichen Seismometernetzen - zusätzliche Beobachtung der Rotationsanteile des seismischen Wellenfeldes. Während die Entwicklung der dazu nötigen Messinstrumente Gegenstand des Leitantrages ist, soll in dem vorliegenden Projekt die grundlegende, systematische Untersuchung der Rotationsbewegungen seismischer Wellenfelder im experimenteller wie in theoretischen Hinsicht durchgeführt werden. 
Dieses Projekt wird damit die Basis dafür bilden, die Ringlaser - Geosensoren nach deren Fertigstellung – in einem Anschlussprojekt als Messnetz effizient für geo-wissenschaftliche Problemstellungen wirksam einsetzen zu können.

I.b. Bezug zu förderpolitischen Zielen 

Das vorgeschlagene Projekt ist relevant bezüglich mehrerer der in Geotechnologien ausgewiesenen inhaltlichen Forschungsschwerpunkte. Wie im Forschungsprogramm Das Erdinnere als treibende Kraft geologischer Prozesse dargestellt, entstehen Erdbeben durch Spannungsbildung in Lithosphäre und Kruste, deren Beobachtung die Grundlage dafür ist, langfristige Risiken abschätzen zu können. Die Beobachtung der Rotationsanteile seismischer Bodenbewegungen wird zusätzliche Information über seismisch aktive Zonen, deren Verwerfungen und Rissprozesse liefern und damit das geodynamische real-time monitoring qualitativ und quantitativ verbessern. Das Forschungsprogramm Tomographie der Erdkruste zielt auf die Verbesserung der Lokalisierung und Abbildung geologischer Strukturen ab (z.B. aktive Verwerfungen), von denen Gefahren für den menschlichen Lebensraum ausgehen. Auch in diesem Bereich sind von der zusätzlichen Beobachtung der Rotationsbewegungen Fortschritte zu erwarten. Innerhalb dieses Projekts sollen Methoden entwickelt werden, den Einfluss von strukturellen Heterogenitäten auf die Rotationsanteile zu ermitteln sowie aus beobachteten Rotationsanteilen auf Strukturen rückzuschließen. Dass dieses Projekt im Rahmen des Programms Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum  eingereicht wird, unterstreicht den interdisziplinären Charakter des Ringlaser - Geosensor Projekts. 

I.c. Wissenschaftliche Arbeitsziele

Wissenschaftliches Arbeitsziel dieses Projekts ist das grundlegende Verständnis der Rotationsbewegungen des seismischen Wellenfeldes als Funktion realistischer Erdbebenmechanismen sowie globalen und regionalen 3-D heterogenen Erdstrukturen. Bis heute ist die Beobachtung seismischer Wellenfelder in der globalen und regionalen Seismologie auf die Aufzeichnung der Komponenten der Bodenverschiebung beschränkt. Dabei werden die Rotationsanteile in der Regel nicht aufgezeichnet, da dies instrumentell wesentlich schwieriger zu erreichen ist. Die Rotationsanteile sind allerdings - wie in einigen wenigen Studien bereits erarbeitet - besonders im quellnahen Raum sowie bei der beobachteten Bewegung von Gebäuden beim Durchgang von Erdbebenwellen von Bedeutung. 
Bezüglich der Rotationsanteile des seismischen Wellenfeldes sind viele Fragen bis heute unbeantwortet:  (1) Wie beeinflussen 3-D Strukturen (frequenzabhängig) die Rotationskomponenten? (2) Welchen Einfluss hat Anisotropie auf die Rotationsanteile der Raum- und Oberflächenwellen? (3) Lassen sich die mit Ringlasern beobachteten Rotationsbewegungen (zumindest die Vertikalkomponente) aus Verschiebungsmessungen ermitteln? (4) Welchen Einfluss haben komplexe Bruchprozesse (dynamic rupture) auf die Rotationsbewegungen? (5) Wie verändern zeitabhängige Spannungszustände aktiver Verwerfungszonen die Struktur (z.B. Anisotropie) und damit die Rotationsanteile?  
Diese Fragen sollen mit den z.T. seit mehreren Jahren in der Gruppe des Antragstellers entwickelten Algorithmen zur Simulation seismischer Wellenausbreitung in der regionalen und globalen Seismologie, sowie den vorliegenden Beobachtungen von Rotationsseismogrammen der deutsch-neuseeländischen Ringlaserinitiative (siehe Leitantrag) in Christchurch beantwortet werden. 

II.	Stand der Wissenschaft und Technik; bisherige Arbeiten

II.a. Stand der Wissenschaft

Die Seismologie ist ein Teilbereich der Geophysik, der darauf abzielt, die Prozesse, Mechanismen, Strukturen und Effekte zu verstehen, die zu den weltweit beobachteten Bodenbewegungen führen. Seismische Wellen, die nach Erdbeben (oder ggf. künstlichen Quellen) beobachtet werden, sind (a)  durch die Art der Quelle, (b) durch die Eigenschaften des Mediums, durch das die Wellen propagieren und (c) durch das Aufnahmegerät (Seismometer oder Rotationsseismometer) beeinflusst. Der Einfluss der Messinstrumente kann heute problemlos korrigiert werden, so dass als Hauptaufgabe der Seismologie die Bestimmung der Quelleigenschaften und der Struktur des Erdinnern bleibt. 

Die Seismologie teilt sich weiter auf entsprechend der Größenordnung des zu untersuchenden Bereichs. In der globalen Seismologie werden Seismogramme des weltweiten Seismometernetzes (z.B. World Wide Standard Seismograph Network) untersucht, um die Struktur des tiefen Erdinnern zu erforschen. Regionale Netzwerke wie das GRSN (German Regional Seismic Network) oder der Netze in seismischen Hochrisikozonen (z.B. Kalifornien, Japan) zeichnen zwar auch die teleseismischen Ereignisse auf, zielen aber darauf ab, durch die größere Dichte von Stationen ein detailliertes Bild der Seismizität in einer  seismisch aktiven Zone in "real-time" zu beobachten und gegebenenfalls durch kurzzeitige Warnung bei großen Ereignissen Schaden zu vermindern. Die permanente Beobachtung aller Aspekte der Bodenbewegungen (von langzeitigen Deformationen O(Jahre) bis hin zu hochfrequenten lokalen seismischen Ereignissen O(50Hz)) bildet die Grundlage für die langfristige Vorhersage möglicher seismischer Ereignisse sowie die detaillierte Bestimmung der Struktur des Erdinnern. 

Bis heute sind die seismischen Observatorien in der Regel mit Seismometern ausgestattet, welche die Komponenten der linearen Bodenbewegungen (meist Geschwindigkeiten) aufzeichnen. Die reinen Rotationsanteile der Bewegungen werden dabei nicht aufgezeichnet und können in der Regel aus den Seismometernetzen auch nicht bestimmt werden. Von Beobachtungen an Gebäudeschäden nach Erdbeben ist bekannt, dass Rotationsteile einen erheblichen Beitrag leisten können. Ohne systematische Beobachtung von Rotationsbewegungen in seismisch aktiven Regionen ist allerdings eine quantitative Abschätzung der zusätzlichen Risiken nicht möglich. 

Die Rotation lässt sich – analog zur Bodenverschiebung – aus  3 orthogonalen Komponenten zusammensetzen. Der im Hauptprojekt vorgeschlagene Ringlaser – Geosensor misst die Drehgeschwindigkeit des Bodens um eine imaginäre Achse (z.B. die vertikale Achse im Zentrum eines horizontalen Ringlasers, siehe Abb. 1a).  Diese Drehgeschwindigkeit ist die Linearkombination von Raumableitungen der linearen Bodenbewegungen. Ordnet man Seismometer entsprechend um eine Achse an, kann im Prinzip die vertikale Komponente der Rotation durch Differenzenbildung abgeschätzt werden (siehe Abb. 1b). Durch den charakteristischen Abstand zwischen den Seismometern wird diese Abschätzung allerdings frequenzabhängig und ist für eine standardmäßige Beobachtung der Rotation (abgesehen vom instrumentellen Aufwand) nicht geeignet.  Diese Lücke soll mit der Entwicklung des Ringlaser – Geosensors geschlossen werden.

Trotz mehrerer experimenteller Versuche, die Rotationsanteile der Boden-bewegungen zu messen (z.B. Farrell, 1968, Nigbor, 1994, Rautenberg et al., 1997),  gibt es bis heute keine systematischen Untersuchungen, wie Struktur und Quelle solche Bewegungsanteile beeinflussen.  Bouchon und Aki (1982) simulierten die Rotationsanteile in einfachen Medien für strike-slip Quellen und schlossen daraus, dass die Rotationsbewegungen wesentlich kleiner sind als die Translations-bewegungen. Dass dies nicht notwendigerweise der Fall ist, zeigten Beobachtungen der Rotationsbewegungen bei einem Erdbebenschwarm, der in Japan registriert wurde (Takeo, 1998). Diese Beobachtungen liegen im Bereich von bis zu O(10-2 rad/s), einer Größenordnung, die mit der heutigen Technologie problemlos zu messen ist. Takeo und Ito (1997) beschäftigten sich mit der Frage, was man über die Rotationsanteile der Bodenbewegungen lernen kann, beschränkten sich dabei allerdings auf Effekte nahe der Quelle. Basierend auf Arbeiten von Teisseyre (1973) im Bereich der Mikropolartheorie entwickelten sie eine Theorie der Defekte an seismischen Verwerfungszonen und zeigten, dass geometrische Defekte direkt Wellenfelder mit Rotationskomponenten erzeugen können. Diese Komponenten sind besonders ausgeprägt in der Nähe der seismischen Quellen und können daher vor allem im Erdbebeningenieurtechnischen Bereich für Risikoabschätzungen relevant sein. 

		

Abb. 1: Links: Darstellung der Rotationsrate als Funktion der (mit Seismometern beobachtbaren) Bodengeschwindigkeit v. Rechts: In der horizontalen Ebene lässt sich die vertikale Komponente der Rotation durch Differenzenbildung der Geschwindigkeiten abschätzen. Die genaue Bestimmung der Rotation in einem breiten Frequenzband ist allerdings mit Seismometern nicht möglich.	

Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen der Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie (TU München), der Universität von Canterbury (Christchurch, Neuseeland) und des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie wurden zum ersten Mal Rotationsanteile teleseismischer Ereignisse mit dem Ringlaser der neuseeländischen Gruppe aufgezeichnet (McLeod et al., 1998; Stedman et al., 1993, 2001; Stedman, 1997). Da am selben Standort auch ein Seismometer installiert ist, konnten Rotations- mit Translationsseismogrammen verglichen werden. Die Unterschiede sind bis heute nicht erklärbar und können nur durch eine systematische Untersuchung der Effekte globaler und regionaler Strukturen auf das teleseismische Wellenfeld ermittelt werden, was im Rahmen dieses Projekts vorgesehen ist. 

Zu dieser systematischen Untersuchung ist die Berechnung theoretischer (oder auch synthetischer) Seismogramme für allgemeine 3-D Strukturen von zentraler Bedeutung. Die Ausbreitung von seismischen Wellen in der Erde lassen sich mit den elastischen Wellengleichungen beschreiben. Bis Mitte der 80-er Jahre wurde die Berechnung theoretischer Seismogramme hauptsächlich mit Hilfe der Strahlenapproximation (SA) durchgeführt.   Die SA - in Analogie zur Optik - ist eine Hochfrequenznäherung, die in erster Linie die kinematischen Eigenschaften von seismischen Wellen berücksichtigt und deren dynamische Eigenschaften wie Streuung vernachlässigt.   Für allgemeine 3-D Strukturen können diese nur mit Hilfe von numerischen Methoden (z.B. finite Differenzen, finite Elemente, finite Volumen, pseudospektrale Methoden) berechnet werden. 

	
Abb. 2: Numerische Simulationen des elastischen Wellenfeldes mit Hilfe von parallelisierten Algorithmen, die auf dem Bundeshöchstleistungsrechner am Leibnizrechenzentrum München implementiert sind (Igel et al., 2000). Links: Wellenausbreitung eines realistischen Bebens im Kölner Becken mit 3-D Sedimentstruktur. Rechts: Wellenausbreitung am Vulkan Merapi, Indonesien, mit Topographieeffekten. Diese Algorithmen erlauben die Berechnung der Rotationsanteile der Wellenfelder für beliebige 3-D Strukturen.	

Diese Methoden wurden zu Beginn in erster Linie in 2-D (z.B. Virieux, 1986), erst später für tiefe Frequenzen in 3-D (z.B. Igel, 1993) und im Besonderen in der Explorationsseismologie (z.B. Igel et al., 1995, 1996, Igel, 1993) angewandt. Der Grund dafür ist, dass die Modelle für die regionale und die globale Seismologie den Rahmen des rechentechnisch Möglichen gesprengt hätten. Erst in jüngster Zeit wurden - durch die rasante Entwicklung von paralleler Rechentechnik und die effiziente Parallelisierung von numerischen Raum-Zeit Lösungen der Wellengleichung  -   die Algorithmen zur Berechnung synthetischer Seismogramme in der regionalen (z.B. Igel et al., 1991a,b, 1997; Olsen und Archuleta, 1996) und globalen Seismologie (z.B. Igel und Weber, 1995, 1996; Igel und Ita, 1997, Igel, 1999) im langperiodischen Bereich eingesetzt. Höchstleistungsrechner wie die am Leibniz Rechenzentrum in München erlauben nun zum ersten Mal die Berechnung des seismischen Wellenfeldes und deren Rotationsanteile in der tatsächlich beobachteten Frequenzbandbreite. 

II.b. Bisherige Arbeiten des Antragstellers

Der Antragsteller ist seit 1999 Direktor des Seismologischen Observatoriums in Fürstenfeldbruck und leitet die Gruppe Seismologie – Numerische Geophysik am Institut für Geophysik der Ludwig-Maximilians Universität München. Im Oktober 2000 wurde vom Landesministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen ein Projekt bewilligt, das - unter der Leitung des Antragsteller - den Aufbau eines Erdbebendienstes in Bayern vorsieht. Dieses Projekt (2000-2004) mit 15 neuen Messstationen und einem Datenzentrum im Observatorium Fürstenfeldbruck wird die real-time Beobachtung seismischer Signale und automatische Auswertung seismischer Ereignisse (wie des Vogtlanderdbebenschwarms im September 2000) ermöglichen. 

Als Doktorand am Institut de Physique du Globe in Paris beschäftigte sich der Antragsteller ab 1990 mit numerischen Methoden zur Wellenausbreitung auf dem damals ersten Parallelrechner an einem geowissenschaftlichen Institut in  Europa (Igel et al., 1991a,b; Igel, 1993, Leary et al., 1991). Nach mehreren Anwendungen im Bereich der Explorationsseismologie (Igel and Crampin, 1990; Igel et al., 1995 Igel et al., 1996) und der fault-zone Wellen (Leary et al., 1991, 1993; Igel et al., 1997) beschäftigte er sich – während eines 5-jährigen post-doc Aufenthaltes am Institute of Theoretical Geophysics der Universität Cambridge, England – besonders mit der Erweiterung auf kugelförmige Geometrien (Igel und Weber, 1995, 1996; Igel und Ita, 1997; Igel und Gudmundsson, 1997; Igel, 1999; Thomas et al., 2000; Igel et al. 2000) mit Anwendungen in der globalen Seismologie sowie auch mit der numerischen (parallelen) Simulation von Isotopenmischprozessen im Ozean (von Blanckenburg und Igel, 1999; Igel und von Blanckenburg, 1999). Er war maßgeblich beteiligt an Antragstellung, Einrichtung, Verwaltung des Enigma Projektes in Cambridge (High Performance Computing Facility for Geophysics, DEC 8400-625/8). Auf Einladung der Science and Technology Agency (STA) in Japan nahm er im Januar 2000 bei einem Meeting zum im Aufbau befindlichen Earth Simulator Project teil. Mit diesem Projekt besteht Zusammenarbeit im Bereich der Simulation globaler Wellenausbreitung. 

Des weiteren wurde eine neue Methode entwickelt, Wellenausbreitung auf unstrukturierten Gittern zu simulieren (Käser et al., 2000; Käser und Igel, 2000). Diese hat den Vorteil, dass beliebige Geometrien sowie Modelle mit stark variierenden seismischen Geschwindigkeiten effizient simuliert werden können. Im Rahmen eines DFG Projekts (Ig16-2, 2 BATIIa/2) wird diese Technik im Moment weiterentwickelt und in der globalen Seismologie angewandt. Die Programme, die dabei entwickelt werden, können ohne aufwendige Modifikationen zur Simulation der Rotationsbewegungen in 3-D Medien erweitert  werden.  

Im Herbst 2000 wurde im Rahmen der Bayerischen HighTech Offensive und des damit verbundenen Kompetenznetzwerks für wissenschaftliches Hochleistungsrechnen (KONWIHR) ein Projekt bewilligt (1 BAT IIa), das die Entwicklung und Anwendung von Algorithmen zur Simulation seismischer Wellenausbreitung auf dem Bundeshöchstleistungsrechner am Leibniz Rechenzentrum in München vorsieht. Dieses Projekt wird - wie das hier vorgeschlagene - in enger Zusammenarbeit mit der University of Southern California (USC) durchgeführt. Die Ergebnisse und Computerprogramme dieses Projekts werden für das hier vorgeschlagene Forschungsvorhaben von großer Bedeutung sein. Die Berechnung theoretischer Seismogramme für zahlreiche Erdbebenszenarien und die damit mögliche Berechnung der Rotationsseismogramme für allgemein 3-D heterogene globale und regionale Erdmodelle ist die Basis dafür, die Grundlagen der Rotationsbewegungen in der Erde zu verstehen.   

III.	Ausführliche Beschreibung des Arbeitsplans

III.a. Vorhabenbezogene Ressourcenplanung

Kern dieses Projekts bilden (1) die Beobachtungen der sich bereits im Betrieb befindlichen Ringlaser (siehe Leitantrag) sowie (2) die numerischen Programme zur Simulation des seismischen Wellenfeldes, die bereits entwickelt wurden, und für die Problemstellungen dieses Projekts erweitert werden. Der Zugang zu aktuellen Messdaten ist durch die Zusammenarbeit mit der deutsch-neuseeländischen Ringlasergruppe gewährleistet. Die zum Teil rechentechnisch aufwendigen Simulationen, die im Rahmen dieses Projekts durchgeführt werden sollen, profitieren von mehreren bereits laufenden Projekten am Institut für Geophysik, in denen Programme zur Simulation seismischer Wellenfelder entwickelt werden. Das Institut für Geophysik ist mit einem Linux Cluster ausgestattet, auf dem Programme parallelisiert werden können. Für größere Rechnungen steht der Gruppe des Antragstellers am Leibniz Rechenzentrum München Rechenzeit auf dem Bundeshöchstleistungsrechner (1Tbyte Hitachi Sr8000) zur Verfügung.

Der Arbeitsplan ist in drei Teilbereiche gegliedert.

Beobachtung und Verifikation der Rotationsanteile seismischer Ereignisse

Die Ringlaser in dem Labor in Christchurch zeichnet seit einiger Zeit die Rotationsbewegungen teleseismischer und regionaler Erdbeben auf (siehe Abb. 3). Im Besonderen für Beben, die weit entfernt stattfinden, lässt sich das langperiodische Wellenfeld (dominante Periode größer als 30 Sekunden) mit Ausnahme geringer Phaseneffekte durch die 3-D Mantelstruktur recht genau berechnen. Dies bedeutet, dass – zumindest für kugelsymmetrische Referenzmodelle – die Rotationsanteile genau berechnet werden können. 

Abb. 3: Aufzeichnung eines Erdbeben auf Vanuta, 8. Februar 1999, mit dem Ringlaser in Christchurch (oben) und der Horizontalkomponente des dort stationierten Seismometers (unten). Die großen qualitativen Unterschiede dieser  Beobachtungen sind gegenwärtig nicht geklärt. 	

Die in Abb. 3.  gezeigten Unterschiede gilt es mit dieser Methodik zu verstehen. Dabei ist wichtig, dass zahlreiche Erdbeben aufgezeichnet werden, so dass Einzeleffekte durch Besonderheiten des Quellmechanismus oder der Strahlwege ausgeschlossen werden können. 
Eine weitere Möglichkeit der Validierung der beobachteten Rotationsanteile kann durch eine flächendeckende zusätzliche Beobachtung des Wellenfeldes mit Standardseismometern erfolgen. Wie in Abb. 1 dargestellt, kann zumindest die vertikale Komponente des Rotationsvektors durch Differenzenbildung der Horizontalkomponenten der Seismogramme abgeschätzt werden. Für einen begrenzten Frequenzbereich und mit Hilfe sorgfältiger Filterverfahren können so die beobachteten Rotationen und Verschiebungsdaten miteinander verglichen werden. 

Phänomenologische Studie der Rotationsanteile seismischer Wellenfelder in realistischen Erdmodellen

Bis heute fehlt eine systematische Untersuchung der Rotationsanteile seismischer Wellenfelder für realistische Medien. Gründe dafür sind die sehr aufwendigen rechentechnischen Verfahren, die zum Teil erst in den letzten Jahren entwickelt wurden, sowie das Fehlen entsprechender Computerressourcen. Die am Institut für Geophysik entwickelte Software und die am Leibniz Rechenzentrum zur Verfügung stehende Hardware wird eine grundlegende Studie der Effekte komplexer Strukturen ermöglichen. Die Werkzeuge, die dafür eingesetzt werden sind Finite- Differenzen Methoden, Pseudospektralmethoden, Finite-Volume-Methoden, die für spezielle Problemstellungen der seismischen Wellenausbreitung entwickelt wurden. Diese sind für kartesische Geometrien (regionale Seismologie) als auch für kugelgeometrische Körper (globale Seismologie) verfügbar. Diese Programm sollen im Rahmen dieses Projekts auf das Problem der Simulation der Rotationsanteile und den Vergleich mit Translationsmessungen erweitert werden. 

Die phänomenologischen Untersuchungen mit Hilfe von Computersimulationen beziehen sich auf folgende Fragestellungen: 

1)	Wie verhalten sich Rotationsseismogramme (RS) und Translationsseismogramme (TS) für regionale und globale Wellenfelder? Wie beeinflussen quellnahe und empfängernahe Heterogenitäten die beobachteten Signale?  Welchen Einfluss haben die Streueigenschaften des Mediums auf RS? Welche Parameter haben starken, welche haben schwachen Einfluss?
2)	Welchen Einfluss hat seismische Anisotropie auf die beobachteten RS? Anisotropie hat die Eigenschaft dass der mathematische Rotationsoperator die Wellenfelder nicht mehr in reine P und S Wellenanteile zerlegen kann. Welche Bedeutung hat dies für die verschiedenen Wellentypen Raumwellen und Oberflächenwellen?
3)	Welchen Einfluss haben komplexe Bruchmechanismen auf die Rotationsanteile des emittierten Wellenfelds? Komplexe Bruchmechanismen können durch modifizierte, nichtlineare Spannungs-Dehnungsbeziehungen in die FD Algorithmen eingebaut werden. 
4)	Welche realistischen zeitabhängigen Parameter (z.B. Spannungszustand) können mit Hilfe der Rotationsanteile identifiziert werden? Da Spannungsänderungen in der Regel die anisotropen Eigenschaften ändert, besteht die Möglichkeit, dass sich dies in den Rotationsanteilen bemerkbar macht.    
5)	Welche Wellentypen (z.B. SH Wellen) sind besonders diagnostisch?

Sämtliche o.a. Fragestellungen lassen sich durch theoretisch-numerische Rechnungen  beantworten. Dabei werden auch die Programme der mitarbeitenden Institutionen (ERI, Tokyo; USC, Los Angeles; United States Geological Survey, Menlo Park, CA.) verwendet werden. 

Simulation realistischer Experimente mit dem System Ringlaser – Geosensor

Nach erfolgreicher Integration des Ringlaser – Geosensor soll dieser in einer zweiten Phase im Feld eingesetzt werden. Da es bis heute keine derartigen Experimente gibt, sollen mit Hilfe der o.a. numerischen Methoden zahlreiche mögliche experimentelle Anordnungen simuliert und evaluiert werden. Die spezielle Zielsetzung der experimentellen Anordnung wird sich aus den Ergebnissen der phänomenologischen Studien ergeben. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich der Einsatz des Geosensor besonders in seismisch aktiven Regionen, nahe an bekannten Verwerfungen bezahlt macht (z.B. nordanatolische Verwerfung, San Andreas Verwerfung, San Jacinto Verwerfung, etc.). In dieser Studie soll vor allem untersucht werden, welche Anordnungen (Array) am sinnvollsten sind, um die beobachteten Phänomene analysieren und interpretieren zu können.  Folgende Fragestellungen sind hier von Bedeutung:

1)	Können Standardarray-Methoden (Scherbaum et al., 1997, z.B.  Vespagramme etc.) auf Rotationsbewegungen erweitert werden? Wie können regionale und teleseismische Ereignisse damit analysiert werden?
2)	Welche Experimente mit künstlichen Quellen (z.B. Explosionsquellen, Vibratorquellen) sind möglich, um zeitabhängige Phänomene und deren Auswirkung auf Rotationsbewegungen messen zu können?
3)	Wie wirkt sich die Feinstruktur einer Verwerfungszone auf die beobachteten Phänomene als Funktion der Arrayanordnung aus? Können teleseismische ebene Wellen zur Diagnose des Spannungszustandes von Verwerfungen herangezogen werden?
4)	Wie verhalten sich Gebäude bei realistischen Wellenfeldern? Würde es sinnvoll sein, Geosensoren auf verschiedenen Ebenen eines hohen Gebäudes zu installieren?

Die Antworten auf diese Fragen werden das Endziel dieses Teilprojekts, nämlich die Entscheidung, wo und in welcher Anordnung die Geosensoren im Folgeprojekt eingesetzt werden, maßgeblich beeinflussen. 

III.b. Meilensteinplanung

Die Meilensteinplanung ist auf eine Laufdauer von 42 Monaten ausgelegt.

Meilensteine	1. Jahr	2. Jahr	3. Jahr	4. Jahr	
Softwareentwicklung 3-D Simulation					
Phänomenologische Studie, Katalogisierung 					
Softwareentwicklung Analyse - Inversion 					
Simulation realer Experimente					
Beobachtung, Vergleich, Validierung					
Publikation Softwareentwicklung					
Publikation Phänomene					
Publikation Analyse – Interpretation					
Publikation Experimentsimulationen					
Entscheidung regionaler Einsatz Ringlaser					
Abschlussbericht - Evaluierung					
						                       Halbzeit                                     Ende
Erklärungen zur Meilensteinplanung:

Softwareentwicklung 3-D Simulation: Numerische Algorithmen zur Simulation seismischer Wellenausbreitung in globalen und regionalen Medien werden für die speziellen Aufgaben des Projekts ausgerichtet und auf geeigneten Rechnern installiert. Im Besonderen sollen die Rotationsanteile des Wellenfeldes mit analytischen Lösungen verglichen werden, bevor realistische 3-D Simulationen unternommen werden. Abschlussziel sind verifizierte Programme zur Simulation der Rotationsanteile für allgemeine 3-D Medien. 

Phänomenologische Studien, Katalogisierung: Die im Arbeitsplan beschriebenen theoretischen Studien werden durchgeführt und systematisch beschrieben. Ziel ist eine umfassende Darstellung der zu erwartenden Rotationseffekte in realistischen Erdmodellen. Die Ergebnisse bilden die Basis für Analysemethoden und Inversionstechniken mit denen beobachtete Daten verarbeitet werden.  

Softwareentwicklung Analyse-Inversion: Mit den Ergebnissen der phänomenologischen Studien können Programme entwickelt werden, mit denen die Information der Rotationsseismogramme verarbeitet werden. Je nach Ergebnis können diese zum Beispiel die Rückrechnung auf strukturelle Eigenschaften des Untergrundes oder aber die Eigenschaften der seismischen Quelle bedeuten. 

Simulation realer Experimente: Mit den numerischen Algorithmen werden realistische Experimentanordnungen simuliert, um den künftigen Einsatz im Feld zu testen. Entscheidend ist hier die Frage, welche Anordnungen in welchen geowissenschaftlich interessanten Regionen den Output eines Ringlaser – Geosensor Netzwerks optimieren. Dieser Teil wird die Grundlage für die Entscheidung bilden, wo und in welcher Form die Instrumente zum Einsatz kommen. (Entscheidung regionaler Einsatz Ringlaser – Geosensor).

Beobachtung, Vergleich, Validierung: Die bereits über den Projektpartner zur Verfügung stehenden Aufzeichnungen und im Laufe des Projekts weiter beobachteten Daten werden analysiert und mit den simultan gemessenen Translationsseismogrammen verglichen. Durch Differenzenbildung geeignet stationierter Seismometer können die Rotationsseismogramme zum Teil validiert werden.  Dazu können lokale kleinere Feldexperimente mit mobilen Seismometern durchgeführt werden.  Ferner wird der im Verlauf des Projektes zur Verfügung stehende Ringlaser – Geosensor zusammen mit dem Projektpartner Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie  an einem geeigneten Ort in Betrieb genommen. Die erarbeiteten Datenauswertungsmethoden werden auf die Beobachtungen angewendet.

Begleitung der apparativen Entwicklung: Mitarbeiter der mit diesem Projekt betrauten Gruppierung nehmen regelmäßig an den entsprechenden koordinierenden Besprechungen (z.B. vorläufiges Design Review, endgültiges Design Review) der beiden anderen Partnern teil. 

IV.	Verwertungsplan

Die Verwertung der Ergebnisse dieses Teilprojekts ist eng an die Fortschritte der apparativen Entwicklung des Ringlaser – Geosensors geknüpft. Durch diese Geräteentwicklung soll  zu Ende des Förderungszeitraums ein neues Messverfahren für die Seismologie und Geophysik zur Verfügung stehen. 

Während im Hauptprojekt die hardware Entwicklung im Vordergrund steht, soll im Rahmen dieses Teilprojekt die software entwickelt werden, die zuerst im folgenden Feldversuch und später in der zu erwartenden Routineanwendung der Geosensoren zum Einsatz kommt. Diese Programme werden einerseits die Vorhersage der Rotationsanteile seismischer Wellenfelder für allgemeine 3-D Modelle in der regionalen und globalen Seismologie ermöglichen. Außerdem sollen Methoden entwickelt werden, mit denen Rotationsseismogramme analysiert werden können. Dabei sollen die üblichen Methoden zur Analyse von Seismogrammen aus Arrays auf Rotationsseismogramme erweitert werden. Diese Werkzeuge sollen im Ensemble ein Programmpaket ergeben, mit denen die beobachteten Rotationsanteile der seismischen Bodenbewegung analysiert und interpretiert werden können. 

Eine Kommerzialisierung solcher software Pakete, die speziell für diese Anwendungen entwickelt werden, ist – bei ausreichendem Bedarf – langfristig nicht auszuschließen. 

V.	Arbeitsteilung/Zusammenarbeit mit Dritten

Wie aus dem Leitantrag hervorgeht, soll das vorgeschlagene Projekt neben dem Hauptantragsteller und dem industriellen Partner in enger Zusammenarbeit mit (1) dem Southern California Earthquake Centre der University of Southern California in Los Angeles (Prof. Y. Ben Zion), (2) dem United States Geological Survey in Menlo Park, California, (Dr. F. Pollitz), (3) dem  Research Institute in Tokyo (Dr. M. Takeo) und (4) den neuseeländischen Partnern der Ringlaser Gruppe (u.a. Prof. G. Stedman, Dr. T. Webb) durchgeführt werden. Im Folgenden werden die inhaltlichen Aspekte der Zusammenarbeit konkretisiert. (Siehe auch dem Antrag beigefügte Begleitschreiben.)

Zwischen der Gruppe von Prof. Dr. Ben-Zion und der Gruppe des Antragstellers besteht seit mehreren Jahren intensive Zusammenarbeit auf dem Gebiet der sogenannten fault zone Wellen, die eine detaillierte Bestimmung der Struktur von Verwerfungszonen in der Tiefe ermöglichen, sowie der Simulation des 3-D seismischen Wellenfeldes in seismisch aktiven Zonen, einer immer grössere Bedeutung gewinnenden Methodik, die Bodenbewegungen möglicher Erdbebenszenarien vorherzusagen. Prof. Dr. Ben-Zion entwickelte analytische Methoden zur Simulation seismischer Wellenausbreitung in Verwerfungszonen, die im Rahmen dieses Projekt für die Berechnung der Rotationsseismogramme verwendet werden soll (Ben-Zion, 1989, 1990). Des weiteren ist vorgesehen, mit den Methoden die dort entwickelt wurden, den Einfluss komplexer Bruchdynamik auf die Beobachtung von Rotationsbewegungen zu studieren. 

Dr. Fred Pollitz am United States Geological Survey ist Experte für analytische Lösungen in streuenden Medien. Er entwickelte zahlreiche Algorithmen (z.B. Pollitz, 1998), die die Berechnung der Rotationsbewegung von einfachen Streugeometrien erlauben. Diese Programme werden von  grosser Bedeutung sein, die in München entwickelten Programme zur numerischen Berechnung komplexer Wellenfelder zu verifizieren. 

Am Earthquake Research Institute (ERI) in Tokyo wurde schon vor einigen Jahren die Relevanz der Rotationsbewegungen seismischer Wellenfelder erkannt. Dr. M. Takeo unternahm theoretische und experimentelle Studien (z.B. Takeo und Ito, 1997; Takeo, 1998) , die zeigten, dass Rotationsbewegungen durch Rissbildungen entstehen können und dass die Beobachtung dieser Rotationswellenfelder zusätzliche Information über den Bruchprozess liefert. Die Arbeiten der Gruppe am ERI bilden die Ausgangsbasis dieser Studie. Die in Tokyo entwickelten Programme werden in unser Projekt einfließen und in Zusammenarbeit erweitert werden.

Wie im Hauptantrag des Ringlaser Projekts ausführlich erwähnt besteht eine langjährige Zusammenarbeit zwischen dem Neuseeländischen Ringlaserprojekt (Prof. Dr. G. Stedman) und der Deutschen Ringlaserinitiative. Diese Zusammenarbeit machte die erste Beobachtung des Rotationswellenfeldes teleseismisch beobachteter Erdbeben möglich (McLeod et al., 1998; Stedman et al., 2001). Die Ringlaser in Christchurch, Neuseeland, sind in Betrieb und werden es erlauben, Rotations- und Translationsseismogramme zu messen und zu analysieren. Die in Christchurch beobachteten Daten werden eine zentrale Rolle in diesem Projekt spielen. Mit ihnen kann der Zusammenhang zwischen Translationsseismogrammen und Rotationsbewegungen analysiert werden.  

VI.	Notwendigkeit der Zuwendung

Dieses Teilprojekt, das die systematische Untersuchung globaler und regionaler 3-D seismischer Wellenfelder auf die zu beobachtenden Rotationseffekte vorsieht,  ist Voraussetzung dafür, dass die Ringlaser-Geosensoren nach Entwicklung und Bau sinnvoll für geowissenschaftliche Anwendungen eingesetzt werden können. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts sollen fundamentale Fragen nach den Rotationseffekten realistischer Erdstrukturen erstmals beantwortet werden. Es handelt sich dabei um die Erarbeitung von Grundlagen, die für die spätere praktische Anwendung - den Einsatz der Ringlaser - Geosensoren - sowie für die Interpretation und Analyse der Rotationsbewegungen von fundamentaler Bedeutung sein werden. In diesem Zusammenhang ist das vorgeschlagene Projekt im wirtschaftlichen und wissenschaftlich-technischen Sinne risikofrei. 

Die beantragten Zuwendungen dieses Teilprojekts beschränken sich im Wesentlichen auf eine BATIIa Stelle. Für die komplexen wissenschaftlichen Aufgabenstellungen sowie die selbständige Kollaboration mit den internationalen Partnern dieses Projekts ist ein(e) promovierter Wissenschaftler(in) mit Erfahrungen im internationalen Wissenschaftsbetrieb notwendig. 

Literaturangaben

Ben-Zion, Y., 1989. The response of two joined quarter spaces to SH line sources located at the material discontinuity interface, Geophys.  J. Int., 98, 213-222.
Ben-Zion, Y.,  1990. The response of two half-spaces to point dislocations at a material interface, Geophys. J. Int., 101, 507-528.
Bouchon, M., Aki, K., 1982. Strain, tilt, and rotation associated with strong ground motion in the vicinity of earthquake faults, Bull. Seism. Soc. Am., 72, 1717-1738. 
Farrell, W.E., 1969. A gyroscopic seismometer: measurements during the Borrego earthquake, Bull. Seismo. Soc. Amer., 59, 1239-1245.
Igel, H., 1993, Seismic Modelling and Inversion, Ph.D. Thesis,  University of Paris VII.
Igel, H., 1999. Modeling wave propagation in 3-D spherical sections by the Chebyshev spectral method. Geop. J. Int., 136, 559-567.
Igel, H., Y. Ben-Zion and P. Leary, Simulation of SH and P-SV wave propagation in fault zones, Geophys. J. Int., 128, 533-546, 1997. 
Igel, H., and S. Crampin, Extracting shear-wave polarizations from different source orientations: synthetic modelling, J. Geoph. Res., Vol. 95, 11,283-11292, 1990. 
Igel, H., H. Djikpesse, and A. Tarantola, Waveform inversion of marine reflection seismograms for -impedance and Poisson's ratio, Geophys. J. Int. 124, 363-371, 1996.
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