D1 Seismologie

Thema

Die Seismologie ist die wichtigste Diagnosemethode zur Erforschung des Erdinneren. Sie nutzt die Aufzeichnung elastischer Wellen, die durch Erdbeben oder auch künstliche Quellen wie kontrollierte Explosionen oder vibrierende Lkw erzeugt werden, um sowohl die innere Struktur der Erde als auch die Parameter der jeweiligen Erdbebenquelle zu bestimmen. Internationale und regionale seismografische Netzwerke zeichnen kontinuierlich Bodenbewegungen mit Breitbandseismometern auf und ermöglichen so die Erfassung von Erdbeben von kaum negativen Magnituden bis hin zu Magnituden von 9,5 und höher – überall auf der Erde.

Die von einem Erdbeben erzeugten seismischen Wellen werden in zwei Haupttypen unterteilt: Raumwellen, die sich durch das Erdinnere ausbreiten, und Oberflächenwellen, die sich nur entlang der Oberfläche fortpflanzen. Innerhalb der Raumwellen breiten sich Kompressionswellen schneller aus, mit Geschwindigkeiten zwischen sechs und acht Kilometern pro Sekunde in der Erdkruste und bis zu 13,7 Kilometern pro Sekunde im unteren Erdmantel, während Scherwellen sich langsamer ausbreiten, mit Geschwindigkeiten zwischen 3,5 und 4,5 Kilometern pro Sekunde. Bei Oberflächenwellen breitet sich eine Art rein horizontal aus, während die andere eine retrograde Ellipse beschreibt.

Die Differenz der Ankunftszeiten von Scher- und Kompressionswellen an derselben Station bildet die Grundlage, auf der die Seismologie seit jeher den genauen Ort eines Erdbebens bestimmt. Das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit von Kompressions- und Scherwellen hängt wiederum von einer elastischen Eigenschaft des Gesteins ab und ändert sich signifikant, wenn das Gestein Flüssigkeiten enthält: Ein mit Flüssigkeiten gesättigtes Gestein weist ein deutlich höheres Geschwindigkeitsverhältnis auf als dasselbe Gestein im trockenen Zustand.

Der seismische Momententensor ist die umfassendste Beschreibung der Erdbebenquelle: eine symmetrische Matrix mit drei Zeilen und drei Spalten, die die Gesamtheit der äquivalenten Kräfte charakterisiert, die das Erdbeben verursacht haben. Handelt es sich bei der Erdbebenquelle um eine reine Scherung ohne damit verbundene Volumenänderung, ist die Summe der Diagonalelemente dieser Matrix exakt null – eine Konfiguration, die Seismologen als Doppelmoment bezeichnen. Durch die mathematische Zerlegung dieses seismischen Momententensors lassen sich die Knotenflächen der Bruchfläche, die Achse der Gesteinskompression während des Erdbebens und die Achse der Gesteinsdehnung bestimmen. Diese drei Elemente definieren zusammen den Herdmechanismus des jeweiligen Erdbebens.

Der Herdmechanismus eines Erdbebens spiegelt erwartungsgemäß die tektonische Kinematik der Region wider, in der es auftrat: Subduktionsbeben erzeugen Herdmechanismen von Aufschiebungen, Erdbeben in Dehnungszonen Herdmechanismen von Abschiebungen und Erdbeben entlang einer Transformstörung Herdmechanismen von Blattverschiebungen. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem elastischen Wellensignal, mit dem diese Beschreibung begann, und der inneren Struktur des Erdbebens selbst hergestellt, die sich anhand dieses Signals rekonstruieren lässt.

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