Exploring the interior of the Earth, particularly at seismogenic depths is a long sought goal for seismologists in order to better characterize (e.g. nucleation, occurence) devastating earthquakes, perform monitoring and better estimate future seismic risks. The success of traditional imaging methods is highly related to how densely the target area is sampled with ray paths between the source and receivers. In case of low seismicity and scarce earthquake-receiver distribution, employing seismic ambient noise, a ubiquitous source, is proved to be an alternative approach. The cross- correlations of seismic ambient noise can be used to estimate the Green’ s function of the medium and thus to determine the Earth’ s structure. The main goal of this study is to provide a comprehension on spatial and temporal variation of seismic velocity field at different phases of the seismic cycle. To achieve this, a structural investigation was performed applying seismic ambient noise analysis in the eastern Sea of Marmara region. Another application is in order to monitor potential velocity changes associated with a major earthquake occurred in Van region, eastern Turkey. In the first part of this thesis, once the necessary pre-processing steps applied to the raw data, ambient noise cross correlation technique is used in order to investigate the crustal structure surrounding the Çınarcık Basin (offshore Istanbul), hosting Princes’ Islands segment of the North Anatolian Fault Zone which is in the final phase of the seismic cycle. Low velocity zones of Çınarcık and Thrace Basins in the study area are successfully observed in group velocity dispersion curves, proving ambient noise cross correlation approach to be a feasible and powerful tool for imaging. As a latter step, a 1D S-wave velocity structure is obtained from an average dispersion curve and employed in the inversion process to present the improvement in hypocenter determination. In the second part, potential variations in the seismic velocity associated with the 2011 M7.1 Van earthquake is investigated by exploting the repeatibility of seismic ambient noise. Six-month data framing the mainshock is investigated. A coseismic velocity decrease directly related to the Van mainshock is observed in the near vicinity of the earthquake hypocenter. This change in velocity is explained by a coseismic stress change at depth taking into account the frequency band of interest. Moreover, a correlation between the coseismic velocity decrease with minimum distance of the respective ray path to the mainshock hypocenter and the amount of coseismic slip is presented.
Die Erforschung des Erdinnern ist ein seit Jahrzehnten bestehendes zentrales Ziel der instrumentellen Seismologie. Dies betrifft im Besonderen den oberen –seismogenen- Bereich der Erdkruste, der die überwiegende Anzahl starker Erdbeben generiert und damit massgeblich für die seismische Gefährdung und das resultierende seismische Risio verantwortlich ist. Das Bestreben der Abbildung (imaging) von Strukturen innerhalb der Erdkruste und des Geschwindigkeitsfeldes hat traditionell zwei Ansätze verfolgt: Die Registrierung elastischer Wellen durch Nutzung natürlicher Quellen (Erdbeben) und die gezielte Erkundung entlang von (meistens) 2D-Profilen unter Einsatz künstlicher Energieanregung (Sprengungen, Vibroseis, Airguns). Der erfolgreiche Einsatz beider Methoden hängt von guter Strahlenüberdeckung seismischer Wellen im Untersuchungsgebiet ab und ist damit in großem Umfang gebunden an die (nicht beeinflussbare) räumliche Verteilung von Erdbeben und der limitierten Möglichkeit, die Vermessung aktiver seismischer Profile in besiedelten Gebieten durchzuführen. In den letzten Jahren hat sich als ein weiteres –drittes- Verfahren die Nutzung und systematische Prozessierung des Hintergrundrauschens (ambient noise) etabliert. Das Hintergrundrauschen ist eine immer und überall verfügbare Signalquelle, die im Wesentlichen durch Wasserbewegungen in den Ozeanen generiert wird. In der vorliegenden Dissertation wird die systematische Analyse von ‚ambient noise‘ mit zwei unterschiedlichen Zielen zum Einsazt gebracht: Zur strukturellen Abbildung der oberen etwa 10 Kilometer in der Region des östlichen Marmarameeres und zur Erfassung möglicher zeitlicher Variationen im Geschwindigkeitsfeld der seismogenen Erdkruste im Zuge des Van-Erdbebens in der Osttürkei von 2011, das eine Magnitude von M=7.1 hatte. In der ersten Teilstudie werden kontinuierliche Messungen von Seismometerstationen rund um das östliche Marmarameer ausgewertet, in der ein Erdbeben mit einer Magnitude bis zu 7.5 in naher Zukunft sehr wahrscheinlich ist. Zwischen den beiden Hauptästen der Nordanatolischen Verwerfungszone unterhalb des Marmarameeres befindet sich ein pull-apart Sedimentbecken (Cinarcik-Becken), dessen Struktur und Tiefenerstreckung hier bestimmt werden soll, um ein detaillierteres tektonisches Modell der Region zu generieren. Die Bestimmung von 1D- Scherwellen-geschwindigkeits-Tiefen-Modellen erlaubt die Identifikation des Cinarcik-Beckens als Niedergeschwindigkeitsbereich zwischen dem Prinzen- Inseln-Segment im Norden und der Armutlu-Verwerfung im Süden. Auch das wesentlich ältere Thrace-Becken kann durch einen Bereich verringerter Geschwindigkeiten in den Dispersionskurven erkannt und charakterisiert werden. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse dieser Studie einem weiteren elementaren Zweck: Durch die erstmalige direkte Bestimmung eine S-Wellen-Geschwindigkeits- Modells für die Region können nun Hypozentren lokaler Seismizität genauer bestimmt werden (vormals musste die S-Wellengeschwindigkeit unter Annahme ideal elastischen Verhaltens aus der P-Geschwindigkeit abgeleitet werden). Die verbesserte Lokalisierungsgenauigkeit wird anhand der Lokalisierung von Steinbruchsprengungen im Raum Istanbul quantifiziert. In der zweiten Teilstudie werden mögliche zeitliche Variationen im krustalen Geschwindigkeitsfeld im Zusammenhang mit dem 2001 Van-Erdbeben in der Osttürkei untersucht. Dabei werden kontinuierliche ‚ambient- noise‘-Registrierungen lokaler Breitbandstationen vor und nach dem Beben über einen Zeitraum von sechs Monaten ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen eine klare co-seismisch verursachte Geschwindigkeitsabnahme, die auch eine Frequenzabhängigkeit aufweist. Darüber hinaus weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die Geschwindigkeitsabnahme mit der Entfernung (umgekehrt proportional) und der Höhe des co-seismischen Versatzes auf der Bruchfläche (proportional) ist.
