Vorlesung: Die Erde. 2. Teil: Endogene Geologie. Erdbeben
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- Jutta Bachmeier
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1 Vorlesung: Die Erde 2. Teil: Endogene Geologie Erdbeben
2 Erdbeben finden an Störungen statt Abschiebung Aufschiebung Blattverschiebung Extension Kontraktion In kontinentaler Kruste: Erdbebenherd: 5 20 km Tiefe
3 Versatz beim Erdbeben von San Francisco (1906) Blattverschiebungen > horizontaler Versatz
4 Bildung von Bruchstufen Erdbeben an einer Überschiebung in Armenien (1988) Abschiebungen und Überschiebungen > vertikaler Versatz
5 Elastische Verformung Ansteigen der Spannung in einem Material > zunehmende Verformung Linearer Zusammenhang zwischen Spannung und Verformung Verformung ist reversibel, d.h. umkehrbar Spannungsanstieg > Verformung Spannung (stress) Spannungsabfall macht Verformung rückgängig > Material kehrt zum undeformierten Zustand zurück Verformung (strain)
6 Erdbeben Definition: Die plötzliche Freisetzung elastischer Verformungsenergie an einer Störung. Diese Energie wird über lange Zeiträume akkumuliert, indem sich 2 Blöcke langsam aneinander vorbei bewegen, wobei es nicht zu einer Bewegung entlang der Störungsfläche kommt. Spannung (stress) 1 2 Festigkeit des Gesteins (rock strength) 1: langsame Akkumulation elastischer Verformung; Spannungsanstieg Zeit (time) 2: plötzliche Bewegung an Störung beim Überschreiten der Festigkeit; Spannungsabbau
7 Erdbebenzyklus Stadium 1: nach einem Erdbeben beginnt Aufbau der Spannung und elastischen Verfomung Stadium 3: Spannung erreicht die Festigkeit des Gesteins > Erdbeben dextrale Störung elastische Verformung Versatz Epizentrum Stadium 2: elastische Verformung der beiden Blöcke (keine Bewegung an Störung) Stadium 4: schneller Versatz der Blöcke entlang der Störung > Spannungsabfall; Abbau elastischer Verformung
8 Wiederholtes Auftreten von Erdbeben Spannungsaufbau Festigkeit Spannungsabfall Spannung Erdbeben Zeit > Perfekt-periodisches Modell für Störung Rate des Spannungsaufbaus ist konstant Gesteinsfestigkeit der Störung ist konstant Betrag des Spannungsabfalls bei jedem Beben ist konstant Bei solch idealem Verhalten wären Erdbeben vorhersagbar! Realität Rate des Spannungsaufbaus variiert Festigkeit der Störung variiert Spannungsabfall ist nicht konstant > genaue Erdbebenvorhersage ist derzeit nicht möglich
9 Erdbeben und seismische Wellen Überschreiten der Gesteinsfestigkeit > Erdbeben > Bruchausbreitung entlang der Störung > schnelle Bewegung der Krustenblöcke verursacht Vibrationen > Aussendung seismischer Wellen > Erschütterung des Untergrunds Hypozentrum (focus, hypocenter) = Erdbebenherd in der Tiefe Epizentrum (epicenter) = Lage des Erdbebensherds an der Erdoberfläche Zeitpunkt: 0 Sekunden focus, hypocenter
10 Erdbeben und seismische Wellen > Bruchausbreitung (eventuell bis Erdoberfläche) > die elastisch verformten Gesteine "schnellen zurück" > Spannungsabfall beginnt 5 Sekunden Bruch an der Oberfläche
11 Erdbeben und seismische Wellen > weitere Bruchausbreitung (v = 2-3 km/s) > elastische Verformung wird rückgängig gemacht 10 Sekunden Bruch breitet sich lateral aus
12 Erdbeben und seismische Wellen > Bruchausbreitung stoppt > Aussendung von seismischen Wellen endet 20 Sekunden Direkte Ursachen von Erdbebenschäden sind die Erschütterungen des Untergrunds durch die seismischen Wellen
13 Erdbeben Mexico City (1985)
14 Erdbeben und seismische Wellen In den Blöcken neben der Störung wird die elastische Verformung beim Erdbeben rückgängig gemacht Spannung An der Störung wird die Festigkeit überschritten > Bruch und tektonischer Versatz Verformung
15 Vorbeben und Nachbeben auf der Störungsfläche Vorbeben (foreshocks): schwache Erdbeben, die kurz vor einem schweren Beben auftreten Nachbeben (aftershocks): schwächere Erdbeben, die nach einem schweren Beben auftreten das stärkste Nachbeben ist etwa eine Größenordnung schwächer als das Hauptbeben vor dem Erdbeben nach dem Erdbeben
16 Seismische Wellen Verschiedene Arten seismischer Wellen laufen durch die gesamte Erde P-Wellen = Primärwellen = Kompressionswellen (P waves = primary waves = compressional waves) P-Wellen sind analog zu Schallwellen in der Luft Ausbreitungsmedium: Festkörper, Flüssigkeiten, Gase Schwingungsrichtung ist gleich der Ausbreitungsrichtung Schwingungsrichtung Ausbreitungsrichtung
17 Seismische Wellen S-Wellen = Sekundärwellen = Scherwellen (S waves = secondary waves = shear waves) Ausbreitungsmedium: Festkörper keine Ausbreitung in Flüssigkeiten und Gasen Schwingungsrichtung ist senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Schwingungsrichtung Ausbreitungsrichtung
18 Seismische Wellen Oberflächen-Wellen benötigen freie Oberfläche (Erdoberfläche) Amplitude nimmt mit der Tiefe ab zwei Arten von Oberflächenwellen Surface waves Rayleigh-Wellen elliptische Bewegung in vertikaler Ebene Love-Wellen seitwärtige Bewegung in horizontaler Ebene
19 Moderner Seismograph Seismograph: Instrument zur Aufzeichnung von Erdbewegungen, die durch seismische Wellen ausgelöst werden. Idealer Seismograph: sollte nicht mit der Erde verbunden sein und sich nicht bewegen > perfekte Aufzeichnung der Erdbewegung Realer Seismograph: eine träge Masse aufgehängt an Feder Stift zeichnet vertikale Bewegungen auf
20 Moderner Seismograph Seismograph, der horizontale Bewegungen aufzeichnet Moderner 3-Komponenten-Seismograph: Messung von 2 Horizontalkomponenten (E-W und N-S) und der Vertikalkomponente Astronomen benutzen Teleskope zur Erkundung des Weltalls Geophysiker nutzen Seismographen zur Erforschung des Erdinneren
21 Wellengeschwindigkeiten die 3 Wellentypen besitzen unterschiedliche Geschwindigkeiten > unterschiedliche Ankunftzeiten (arrival times) Erdbeben Aufzeichnung eines Seismographen Geschwindigkeit von P-Wellen in der Kruste: Sedimente: 3-4 km/s Kristallingesteine: 4-7 km/s S-Wellen: etwa halb so schnell wie P-Wellen
22 Ausbreitung seismischer Wellen konzentrische Ausbreitung vom Erdbebenherd unterschiedliche Ankunftszeiten an verschiedenen Stationen Travel-time curve Zeitintervall ist Funktion der Distanz vom Bebenherd C B A Erdbebendistanz A: 1500 km B: 5600 km C: 8600 km Zeit seit Beben (min) Distanz vom Epizentrum (km) S-wave P-wave
23 Bestimmung der Lage des Erdbebenherds 3 Kreise um seismische Stationen A, B und C Epizentrum ist der Schnittpunkt der Kreise
24 Erdbebenmagnitude und Häufigkeit Es existiert eine statistische Beziehung zwischen der Häufigkeit und Stärke von Erdbeben (magnitude-frequency relationship) Magnitude (logarithmische Skala!!) freigesetzte Energie Sumatra (2004) Zahl der Erdbeben pro Jahr (global)
25 Störungsmechanismus und Seismogramme Erdbeben ohne Versatz an der Oberfläche Frage: Erdbeben an Über-, Ab- oder Blattverschiebung? > Ermittlung des Störungsmechanismus aus Seismogrammen Bewegung des Untergrunds bei einem Erdbeben hängt ab von: Orientierung der Störungsfläche Bewegungsrichtung auf der Störungsfläche Beispiel: Dextrale Blattverschiebung Kartenansicht Epizentrum I Störung Seismographen II Hilfsfläche (senkrecht zur Störung) Seismograph I erfährt Druck/Kompression (weg vom Epizentrum) Seismograph II erfährt Zug/Tension (hin zum Epizentrum)
26 Störungsmechanismus und Seismogramme Seismographische Stationen Zug/Tension Druck/Kompression Tension IV Kompression I Tension IV Kompression I III Kompression II Tension III Kompression II Tension
27 Störungsmechanismus und Seismogramme N Kartenansicht N Norden Tension Kompression Tension Kompression W Kompression Tension E W Kompression Tension E S N-S streichende sinistrale Blattverschiebung S E-W streichende dextrale Blattverschiebung Welche der beiden Möglichkeiten ist korrekt? > unabhängige geologische Information
28 Störungsmechanismus und Seismogramme Nordanatolische Blattverschiebung Istanbul?? 1999 Izmit
29 Tiefenverteilung von Erdbeben an Plattengrenzen
30 Mittelozeanische Rücken Erdbeben nur in geringer Tiefe (< 10 km) > ozeanische Lithosphäre ist jung und sehr warm > bruchhafte Deformation nur in oberen Bereichen Abschiebungen Transform-Störungen (laterale Bewegung) P T T P P = compression T = tension
31 Subduktionszonen Erdbeben an Plattengrenze bis ~70 km Tiefe > subduzierte ozeanische Lithosphäre ist kalt > bruchhafte Deformation bis in große Tiefen Tiefseerinne (trench)
32 Subduktionszonen Erdbeben im oberen Bereich der subduzierenden Platte Tiefenerstreckung: ~ km > Wadati-Benioff-Zone Erdbeben
33 Kobe Erdbeben (Japan 1995) Subduktionsbeben 5000 Tote, Verletzte Obdachlose 200 Milliarden EUR Schaden
34 Sekundäre Bedrohungen durch Erdbeben Erschütterung als Folge seismischer Wellen ist Auslöser von: Bodenverflüssigung Tunamis Bergstürzen Bränden (Bruch von Gasleitungen) Bodenverflüssigung: > wiederholter Druck auf das nicht komprimierbare Wasser zwischen den Sandkörnern > Porenwasserüberdruck > Zusammenbruch des Korngefüges und Verflüssigung > Standfestigkeit verringert sich dramatisch anschaulich: Springen am Strand
35 Bodenverflüssigung Kocaeli earthquake, Turkey, 1999, M=7.4 Niigata, Japan, 1964
36 Tsunamis Tsunamis (aus dem Japanischen): Riesenwellen, die durch untermeerische Erdbeben, Rutschungen oder Vulkanausbrüche entstehen. Erdbeben an Überschiebung Höhe in Küstennähe bis 30 m Geschwindigkeit im Ozean bis 800 km/h Schutzmauer gegen Tsunamis; Japan Epizentrum, M = 7.7 Computersimulation eines Tsunamis verursacht durch Erdbeben in Alaska
37 Dezember 2004 Magnitude 8.9 Sumatra Seismische Bedrohung im Pazifikraum
38 Massenbewegungen Starke Erdbeben verursachen zahllose Massenbewegungen an Berghängen (Bergstürze, Schuttlawinen, Rutschungen etc) Beispiel: Erdbeben Magnitude 8 (Peru, 1970) > Zerstörung von 2 Städten
39 Einige Verhaltensregeln bei Erdbeben: Im Freien: nicht in Gebäude laufen herabstürzende Gegenstände vermeiden (z.b. Stromleitungen) soweit wie möglich von Gebäuden entfernt halten In Gebäuden: an stabile Wand oder Säule stellen, oder unter Tisch kriechen nicht in der Nähe von Fenstern bleiben nicht ins Freie laufen nicht den Fahrstuhl benutzen Schadensvermeidung Vorsicht vor Nachbeben!! Öffentliche Demonstration zum Verhalten bei Erdbeben in Japan
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