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Structure And Mechanics of Seismogenic Fault Zones: Insights from advanced passive and active seismic imaging

Applicant Diehl Tobias
Number 163153
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Schweizerischer Erdbebendienst ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.05.2016 - 30.06.2020
Approved amount 235'543.00
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Keywords (18)

Seismicity; Seismic Hazard; Tomography; Seismotectonic; Induced Seismicity; Alps; Seismology; Fault Zone; Earthquake; Geothermal Energy; Reflection Seismics; Rawil; Helvetic Nappes; Molasse Basin; St. Gallen; Valais; Geophysics; Geology

Lay Summary (German)

Lead
Um in Zukunft die Gefahren von natürlichen und induzierten Erdbeben besser abschätzen zu können, braucht es ein genaueres Verständnis von Verwerfungszonen in tektonisch aktiven Gebieten wie der Schweiz. Mit Hilfe geophysikalischer Abbildungsverfahren und geologischen Kartierungen wurden in den letzten Jahren zahlreiche Verwerfungen in den schweizerischen Alpen und im nördlichen Alpenvorland identifiziert. Allerdings treten in vielen Fällen Erdbeben abseits dieser kartierten Verwerfungen auf, was die Frage nach den tektonischen Prozessen und Mechanismen aufwirft, die diesen Erdbeben zugrunde liegen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Ziel dieses Projektes ist es, durch verbesserte geophysikalische Inversionsverfahren die Strukturen von Verwerfungszonen hochauflösend abzubilden und daraus Erkenntnisse über mechanische Eigenschaften der Bruchsysteme abzuleiten. Dazu werden unter anderem Verfahren der seismischen Tomografie mit hochauflösender Erdbebenlokalisierung kombiniert. Die Anwendung konzentriert sich auf zwei Regionen in der Schweiz: (i) einer äußerst aktiven Erdbebenzone nördlich des Rhônetals im Kanton Wallis, (ii) einer Verwerfungszone nahe St. Gallen, die während Stimulationsmaßnahmen für ein geplantes Geothermiekraftwerk aktiviert wurde.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Durch die Anwendung verbesserter Abbildungsverfahren erwarten wir zum einen neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen existierenden Verwerfungen und dem Auftreten von Erdbeben. Zudem sind die beiden Untersuchungsgebiete von hoher gesellschaftlicher Relevanz. Das Wallis ist die Region mit der größten seismischen Gefährdung der Schweiz und ein Großteil der gegenwärtigen Seismizität in diesem Gebiet steht in Verbindung mit der Erdbebenzone nördlich des Rhônetals. Die St. Gallen Verwerfungszone bietet Gelegenheit zur Untersuchung der Erdbebengefährdung im dicht besiedelten Molasse Becken, welches potentieller Standort zukünftiger Geothermieprojekte und atomarer Endlager ist.
Direct link to Lay Summary Last update: 12.10.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149385 Structure and evolution of an antiformal nappe stack (Aar massif, Central Alps): Formation of mechanical anisotropies and their bearing on natural risks 01.10.2013 Project funding (Div. I-III)
154434 SWISS-AlpArray - Assessing Alpine Orogeny in 4D-space-time Frame 01.10.2014 Sinergia
157627 OROG3NY: structures and processes in 3D mountain building 01.12.2015 SNSF Professorships
188615 detect-µ - High-resolution Imaging and Analysis of Seismicity Patterns in Swiss Microearthquake Sequences 01.11.2019 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Information on structure and mechanics of faults and their connection with seismicity is key to the understanding of hazard related to natural and induced earthquakes. In recent years, subsurface faults (i.e. faults undetectable at the surface) have been imaged in the shallow crust by seismic reflection surveys in the Swiss Alps and its northern foreland. At the same time, improvements in seismic networks and data analysis techniques allow relative earthquake locations at resolutions up to 50 m, revealing the fine-scale structures of seismogenic zones in Switzerland. In most cases, however, the seismogenic zones cannot be directly associated with individual faults mapped by geophysical or geological surveys, which raises questions on the underlying mechanisms causing the to observed seismicity.To improve our understanding of seismogenic zones in Switzerland, we aim to develop novel imaging methods that will provide insight into the structure and mechanical properties of faults. Images derived from active source techniques will be revisited to attempt to resolve previously unrecognized structures in seismogenic parts of the study volume. The development of passive source methods will focus on the combination of high-precision earthquake location algorithms and seismic tomography, aiming to resolve the seismic velocity structure in the source region of seismogenic zones. The source-sided velocity structure will provide information on composition and physical parameters (e.g. fluid content) of the host rock.Testing and application of the methods will focus on two regions. We will investigate a narrow and 10 km long seismogenic lineament located in the Rawil depression north of the Rhone Valley in southwest Switzerland. In addition, we perform a detailed analysis of an earthquake sequence along a 2 km long fault segment in St. Gallen in the year 2013 that was induced during stimulation operations. Vigorous seismicity, dense instrumentation, and the wealth of available geophysical and geological data make both regions the prime fault zones in Switzerland to study processes like evolution and interaction of faults as well as earthquake triggering mechanisms on variable scales. The study regions are complementary in two ways: In the St. Gallen case, stimulation operations provide constraints on timing and location of trigger mechanisms related to fluid injections and high-resolution 3D seismic reflection data offers the rather unique opportunity to correlate earthquake locations with pre-existing faults. In the Rawil case, the long-lasting seismicity and numerous focal mechanisms allow the analysis of the temporal evolution of the locally varying stress field and seismic velocity structure along the seismogenic lineament.The two chosen sites are also of high societal relevance. The Valais is the region with the highest natural seismic hazard in Switzerland and a large part of the present-day seismic activity is related to the seismogenic lineament in the Rawil depression. The possibility of large magnitude earthquakes critically depends on the question as to whether this activity is related to a single fault of considerable lateral extension or not. The St. Gallen site offers an excellent occasion to study local earthquake hazard in the densely populated Molasse basin, which is also the site of future geothermal plants and radioactive waste repositories.
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