E4 Ausfall- und Bruchmechanik

Thema

Eine geologische Verwerfung ist eine Schwächezone in der Erdkruste, entlang derer die Kruste schließlich bricht und gleitet. Ein etabliertes mechanisches Versagenskriterium bestimmt genau, wann dieser Bruch eintritt: Eine Verwerfung bricht, wenn die auf sie wirkende Scherspannung die Summe ihrer Kohäsion und des Reibungswiderstands übersteigt. Dieser Reibungswiderstand wiederum hängt von der Differenz zwischen der auf die Verwerfung wirkenden Normalspannung und dem Porendruck der im Gestein befindlichen Flüssigkeit ab.

Dieser Porendruck reduziert die effektive Normalspannung an der Verwerfung. Diese Reduzierung kann selbst bei Spannungen, die in einem vollständig trockenen Gestein niemals einen Bruch hervorrufen würden, ein Erdbeben auslösen. Derselbe Mechanismus erklärt die durch die Injektion von Flüssigkeiten in tiefe Bohrungen induzierte Seismizität. Geologische Verwerfungen werden nach dem tektonischen Regime ihrer Entstehung klassifiziert: Eine Normalverwerfung entsteht unter Dehnung, wobei sich der obere Block relativ zum unteren Block nach unten bewegt; eine Aufschiebung entsteht unter Kompression, wobei sich der obere Block über den unteren Block nach oben bewegt. Eine Blattverschiebung, auch Blattverschiebung genannt, erzeugt eine überwiegend horizontale Bewegung zwischen den beiden Gesteinsblöcken.

Der Bruch einer Verwerfung während eines Erdbebens breitet sich mit Geschwindigkeiten zwischen zwei und vier Kilometern pro Sekunde aus, stets unterhalb der Geschwindigkeit von Scherwellen. Die durch diesen Bruch verursachte Verschiebung skaliert empirisch mit der Gesamtlänge des Bruchs: Je länger der Bruch, desto größer ist in der Regel die damit einhergehende Verschiebung.

Die seismische Momentenskala eines Erdbebens, das Produkt aus Gesteinssteifigkeit, der mittleren Verschiebung der Verwerfung und der vom Bruch erreichten Gesamtfläche, ist das physikalisch präziseste Maß für die freigesetzte Energie. Aus dieser seismischen Momentenskala wird die Momentenmagnitude berechnet. Diese Magnitude verliert im Gegensatz zu älteren Skalen auch bei stärkeren Erdbeben nicht an Empfindlichkeit und flacht nicht ab. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen dem Bruch einer Verwerfung, mit dem diese Beschreibung begann, und dem endgültigen Maß für die freigesetzte Energie hergestellt.

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