Detection of very long period seismic signals and acoustic gravity waves generated by large tsunamis: Application to tsunami warning

Abstract

Tsunamis belong to natural events, which lead to the most devastating global catastrophes, although they occur rarely. Because tsunamis caused in recent times large number of casualties and heavy destruction in wide spread coastal areas, they became the focus of intensive scientific research. The basis to mitigate casualties due to tsunamis is mainly continuous monitoring of seismic activity. Since prediction of earthquakes is not possible, early tsunami warning is the primary goal of related research. So far, direct observations of tsunamis came only from tide gauges on the shore lines and deep ocean pressure sensors (Deep Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, DART). However, tide gauge measurements are dominantly influenced by local conditions (shape of the harbor and resonances within the harbor) and DART stations have a very poor coverage. In this thesis, data from seismic and infrasound stations were analyzed in order to see effects of tsunamis of the great Sumatra-Andaman 2004 and Tohuku-Oki 2011 earthquakes. Data used are from seismic stations of the Global Seismic Network (GSN) around the Indian and Pacific oceans and from infrasound stations of the International Monitoring System of the Comprehensive Test Ban Treaty Organization (IMS/CTBTO). In both data sets, seismic and infrasound, tsunami signals are observed in the period range of 500 to 2000s. These data may add to two new very useful observables for tsunami early warning systems. A traveling tsunami wave is causing tilting of the ocean bottom and of the coast up to 150km inland, which is recorded on the horizontal components of broadband seismometers. In the source region of an earthquake, the bottom of the ocean may be displaced vertically, which causes vertical displacement of the surface of the sea, and which leads to the generation of an acoustic gravity wave propagating in the atmosphere. Infrasound signals of the Sumatra-Andaman and Tohoku-Oki earthquakes have been used successfully to locate the sources of both tsunamis. The epicenter of the Tohoku-Oki tsunami was about 100km to the south-east of the seismic epicenter, and that of the Sumatra-Andaman event was about 200km to the northwest of the seismic epicenter. The great advantage of this technique is that infrasound travels with a speed of about 330m/s and the tsunami travels significantly slower, with a speed of about 200m/s in the deep ocean and much slower in shallow coastal waters. This technique not only provides the fastest evidence if a tsunami was indeed generated (which may avoid false alarms), but it also gains additional warning time and provides basic information on the tsunami source needed for modeling of tsunami propagation. Implementation of these two new observables into existing tsunami early warning systems would be relatively easy, because infrasound sensors could be integrated into seismic stations. Ultra long period seismic observations of tsunamis at coastal stations would only require some software additions.

Tsunamis sind Naturereignisse, die zu den verheerendsten weltweiten Katastrophen gehören, obwohl sie relativ selten auftreten. Da Tsunamis in letzter Zeit zahlreiche Opfer und schwere Zerstörungen in grossen Küstenregionen verursacht haben, sind sie Ziel intensivierter Forschungen geworden. Die Grundlage zur Reduzierung von Tsunamiopfern ist ein kontinuierliches Monitoring der Seismizität. Da eine Erdbebenvorhersage nicht möglich ist, sind Tsunamifrühwarnungen das primäre Ziel der Forschungen auf diesem Gebiet. Bisher geschehen direkte Beobachtungen von Tsunamis hauptsächlich durch Messungen des Meeresspiegels an Küsten oder durch Drucksensoren in der Tiefsee mit Hilfe von Bojen (Deep Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, DART). Jedoch werden Küstenpegelmessungen in Häfen dominiert von lokalen Küstenstrukturen und möglichen Resonanzeffekten und es gibt nur eine relativ geringe Anzahl von DART Stationen im offenen Ozean. In dieser Dissertation werden Beobachtungen von Tsunamis in seismischen Daten und in Infrasound Daten der grossen Erdbeben von Sumatra-Andaman 2004 und Tohoku- Oki 2011 analysiert. Die benutzten Daten stammen von den seismischen Stationen des Global Seismic Network (GSN) im Gebiet des Pazifischen und Indischen Ozeans und von den Infrasound Stationen des International Monitoring System of the Comprehensive Test Ban Treaty Organization (IMS/CTBTO). In beiden Datensätzen, den seismischen und den Infrasound Daten, wurden Signale von Tsunamis im Periodenbereich von 500 bis 2000s beobachtet. Diese Daten sind neue, möglicherweise sehr nützliche Beobachtungsgrössen für Tsunamiwarnsysteme. Ein sich ausbreitender Tsunami verursacht Neigungsänderungen des Meeresbodens und der Küstenregionen bis zu 150km landeinwärts, die auf den Horizontalkomponenten von Breitbandseismometern messbar sind. In der Herdregion von Erdbeben bewegt sich der Meeresboden möglicherweise vertikal, was zu vertikalen Bewegungen der Meeresoberfläche führt, die wiederum akustische Gravitationswellen in der Atmosphäre erzeugen. Solche Infrasound Signale der Sumatra-Andaman und Tohoku-Oki Erdbeben wurden erfolgreich zur Lokalisierung der Herde der Tsunamis benutzt. Das Epizentrum des Tohoku-Oki Tsunamis wurde ca. 100km südöstlich des seismischen Epizentrums lokalisiert, und das Epizentrum des Sumatra-Andaman Tsunamis ca. 200km nordwestlich des seismischen Epizentrums. Der grosse Vorteil dieser Methode ist, dass Infrasound sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 330m/s ausbreitet während der Tsunami selbst sich viel langsamer ausbreitet; mit Geschwindigkeiten von ca. 200m/s in der Tiefsee und mit viel kleineren Geschwindigkeiten in flachen Küstengewässern. Diese Technik liefert nicht nur die schnellsten Hinweise, ob ein Tsunami tatsächlich von einem Erdbeben erzeugt wurde (was falsche Alarme reduziert), sondern es wird auch zusätzliche Warnzeit gewonnen und wichtige Informationen für die Modellierung der Tsunamiausbreitung werden erhalten. Die Einfügung dieser neuen Beobachtungsgrössen in existierende Tsunamiwarnsysteme sollte relativ leicht möglich sein, da Infrasoundsensoren sich in existierende seismische Stationen integrieren lassen. Ultralangperiodische seismische Beobachtungen von Tsunamis an Küstenstationen würden lediglich Softwareänderungen benötigen.