Seismologie - Erdbeben

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1 Seismologie - Erdbeben -- Wie Wie kann man man die die Herdzeit eines Erdbebens bestimmen? -- Wie Wie das das Epizentrum und und die die Tiefe eines Erdbebens? -- Wie Wie kann man man die die Stärke eines Erdbebens abschätzen (Richter Skala)? -- Wie Wie kann man man die die durch Erdbeben verursachten Schäden kategorisieren (seismische Intensität, Mercalli Skala)? -- Erdbebenvorhersage, Erdbebengefährdung Seismology - Slide 1

2 Mozambique Seismology - Slide 2

3 Northridge, California Seismology - Slide 3

4 Gardasee Beben 2004 Seismology - Slide 4

5 Gardasee Beben 2004 Seismology - Slide 5

6 Epizentrum Seismology - Slide 6

7 Weltweite Seismizität Tiefe 0 km 35 km 70 km 150 km 300 km 500 km 800 km Seismology - Slide 7

8 Plattentektonik - Plattengrenzen Seismology - Slide 8

9 Erdebenverteilung verbunden mit tektonischer Aktivität aktive Kontinentalränder mittelozeanische Rücken Grenzen der Lithosphärenplatten, aber auch im Inneren 80% der seismischen Energie in zirkum-pazifischer Randzone - 70% aller Beben in der Erdkruste - Mitteltiefe ( km) und tiefe Beben (>300 km) sind meist an die sog. Benioff-Zonen gebunden Hypozentrum: Ort des Bebens in der Tiefe Epizentrum: Projektion an die Erdoberfläche Seismology - Slide 9

10 Erdbebenhäufigkeit weltweit Seismology - Slide 10

11 Was steuert die Bodenbewegung durch Erdbeben Magnitude Maß für die freigesetzte Energie Entfernung Wellenamplituden nehmen mit der Entfernung ~1/D ab Lokaler Untergrund Resonanzen z.b. bei weichem Untergrund Seismology - Slide 11

12 NEIC (National Earthquake Information Center) Seismology - Slide 12

13 Seismology - Slide 13

14 Erdbeben-in-Bayern Seismology - Slide 14

15 Erdbeben in Bayern? Bereich Marktredwitz Earthquakes in Germany M>3 Bad Reichenhall Seismology - Slide 15

16 Seismische Stationen in Bayern Früher: ISDN Verbindung mit Stationen alle 20Min. Heute: DSL permanent online Seismology - Slide 16

17 Erdbeben nahe Marktredwitz, Seismology - Slide 17

18 Seismograms Seismology - Slide 18

19 Erdbebenlokalisierung Was beobachten wir? - Ankunftszeiten von P und S Wellen an an verschiedenen Stationen Was wollen wir wissen? - Herdzeit des Erdbebens - Epizentrum und Tiefe Wir Wirnehmen nehmenan an das das Erdbeben Erdbebenpassiert passiertzur zurzeit Zeittt 0 und 0 und wir wirkennen kennendie die seismischen seismischeneigenschaften Eigenschaftendes des (homogenen) (homogenen) Mediums Mediums vv p (Wellen) p (Wellen) and and vv S S (Wellen). (Wellen). Für Füreine einestation mit mitder derherddistanz HerddistanzD gilt: gilt: v S = t S D t 0 v P = t P D t 0 v S ( ts t0) = vp ( tp t0 ) Seismology - Slide 19

20 Erdbebenlokalisierung v S ( ts t0) vstp = vp ( tp t0 ) v S t P t t S S t P = v v S ( tp t0) tp t P + vp tp = ( 1)( tp t0) vs y = mx t s -t p 0 Kiyoo Wadati slope Wadati Diagramm v v P S 1 t 0 t p Seismology - Slide 20

21 Wadati Diagramm t s -t p slope t 0 t p vp ( ts tp ) = ( 1)( tp t0) v S y = mx Seismology - Slide 21

22 Erdbebenlokalisierung Mit Mitder dersteigung Steigungvv p /v p /v s -1 s -1 des des Wadati Wadati Diagrams Diagrams können könnenwir wir vv p /v p /v s bestimmen. s bestimmen. Damit Damitergibt ergibtsich sichfür fürdie die Herdzeit: Herdzeit: t 0 = t P ts v v P S t P 1 Und Und die die Entfernung EntfernungD i des i des Erdbebens Erdbebensvon von der der Station Station iimit mitankunftszeit Ankunftszeitt P,i t der P,i derp-wellen D i = v P ( t ) 0 P, i t Wir können wir Epizentrum und Tiefe bestimmen? Seismology - Slide 22

23 Epizentrum und Herdtiefe Seismology - Slide 23

26 Epizentrum und Herdtiefe Receiver 2 Receiver 1 Receiver 3 Seismology - Slide 26

27 Epizentrum und Herdtiefe Receiver 2 Receiver 1 ( x R 1, yr 1) Receiver 3 D 13 x R, y ) ( 3 R3 Seismology - Slide 27

28 Epizentrum und Herdtiefe Receiver g + s = D ( D 13 g) + s = D3 Receiver 1 g D 13 -g Receiver 3 D 1 s D 3 Seismology - Slide 28

29 Epizentrum und Herdtiefe Receiver g ' + s' = g' ) + s' D ( D = D D 2 s D 12 -g D 1 g Receiver 1 Receiver 3 Seismology - Slide 29

30 Epizentrum und Herdtiefe p r 2 Receiver 2 x r = p r r 1 + aσ1 x r = p r r 2 + bσ 2 σ r 2 Receiver 1 Receiver 3 σ r 1 Epizentrum ( x e, ye ) p r 1 Seismology - Slide 30

31 Epizentrum und Herdtiefe d 2 = z 2 e = D 2 1 x 2 e y 2 e Receiver 2 d Receiver 1 Receiver 3 Hypozentrum ( xe, ye, ze ) Seismology - Slide 31

32 Magnitude - Richter Charles Richter Maximalamplituden als Funktion des Abstands für Beben in Kalifornien Die Amplituden nehmen systematisch ab mit der Distanz von der Quelle. Seismology - Slide 32

33 Richter Skala Lokalmagnitude A A 1 0 log M L = const. A A = 1 0 = log log 1 A 1 log A 0 A ( ) log A 0 = ( ) const 1930: Richter beobachtet, daß der Logarithmus der maximalen Amplituden der Bodenbewegung für verschiedene Erdbeben mit der Entfernung entlang paralleler Linien abnimmt. Referenzbeben:: Ein Beben aufgezeichnet mit einem Wood- Anderson Seismometer in einer Distanz von =100km erzeugt eine Amplitude von A 0 = 1mm und hat die Magnitude M L =3. M L - in ursprünglicher Form - wird in der Seismologie kaum mehr benutzt, bleibt aber wichtig im Zusammenhang mit Erdbebenschäden und anderen Magnituden-Skalen. Seismology - Slide 33

34 Richter Skala Grafische Bestimmung der der Magnitude M L = log 10 A( mm ) + (Distance correction factor ) Seismology - Slide 34

35 Magnituden Skalen M = log( A / T ) + Q(, h) + C + C s r M seismische seismischemagnitude A Amplitude Amplitude T Periode Periode Q Korrektur Korrekturfür fürepizentrale epizentraledistanz Distanz und und Tiefe Tiefeh C C s Korrektur s Korrekturfür fürstandort (Variabilität (Variabilitätdes des Gesteins Gesteins!)!) C C r Korrektur r Korrekturfür fürquellregion M L L M b b M s s M w w Local Local magnitude magnitude body-wave body-wave magnitude magnitude surface surface wave wave magnitude magnitude energy energy release release Seismology - Slide 35

36 Seismische Energie (Beispiele) Richter TNT for Seismic Example Richter TNT for Seismic Example Magnitude Energy Yield (approximate) Magnitude Energy Yield (approximate) ounces ounces Breaking Breaking a a rock rock on on a a lab lab table table pounds pounds Large Large Blast Blast at at a a Construction Construction Site Site pounds pounds ton ton Large Large Quarry Quarry or or Mine Mine Blast Blast tons tons tons tons tons tons ,000 1,000 tons tons Small Small Nuclear Nuclear Weapon Weapon 4.5 5,100 tons Average Tornado (total energy) 4.5 5,100 tons Average Tornado (total energy) ,000 32,000 tons tons ,000 tons Little Skull Mtn., NV Quake, ,000 tons Little Skull Mtn., NV Quake, million million tons tons Double Double Spring Spring Flat, Flat, NV NV Quake, Quake, million tons Northridge, CA Quake, million tons Northridge, CA Quake, million million tons tons Hyogo-Ken Hyogo-Ken Nanbu, Nanbu, Japan Japan Quake, Quake, 1995; 1995; Largest Thermonuclear Weapon Largest Thermonuclear Weapon million million tons tons Landers, Landers, CA CA Quake, Quake, billion tons San Francisco, CA Quake, billion tons San Francisco, CA Quake, billion tons Anchorage, AK Quake, billion tons Anchorage, AK Quake, billion billion tons tons Chilean Chilean Quake, Quake, trillion tons (San-Andreas type fault circling Earth) trillion tons (San-Andreas type fault circling Earth) trillion trillion tons tons (Fault (Fault Earth Earth in in half half through through center, center, OR OR Earth's daily receipt of solar energy) Earth's daily receipt of solar energy) Seismology - Slide 36

37 Magnituden Skala Richter und andere Alle Skalen beziehen sich auf die Maximalamplitude eines Seismogramms. Local Local Magnitude Magnitude M L L M L = L = log log A log log A 0 0 M L = L = log log A Surface Surface wave wave magnitude magnitude M S S M S = S = log(a log(a /T)+1.66 /T)+1.66 log log Body Body wave wave magnitude magnitude M b b M b = b = log(a log(a /T)+Q(D,h) /T)+Q(D,h) log log A 0 aus 0 austabellen Tabellenoder als alsentfernung Entfernungin in km, km, A in in mm mm Anwendugsgebiet: Anwendugsgebiet: < < 600km 600km Mittelung Mittelungüber überviele vielestationen Stationenoft oft nötig. nötig. T=18-22s, T=18-22s, = = o, o, h < < 50km 50km Rayleigh-Wellen Rayleigh-Wellen (Vertikalkomponente) T= s T= s Seismology - Slide 37

38 Magnitude - Intensität Magnitude ist ein instrumentell bestimmter Wert und ein objektiver Wert für die Stärke eines Erdbebens. Intensität ist ein subjektiver Parameter, basierend auf Erdbebenauswirkungen u. Schäden laut Augenzeugen (z.b. Fragebögen). ~1890: Rossi-Forel Intensitäts Skala (10 Stufen) 1902: Mercalli Skala (12 Stufen) 1931: Modified Mercalli (MM) Skala für Bauvorschriften in den USA 1964: Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK) Skala mit detaillierteren Unterscheidungen 1992: European Macroseismic Scale (EMS) basiert auf MSK inkl. neuer Bauvorschriften und Schadensbeschreibungen Seismology - Slide 38

39 Mercalli Intensity und Richter Magnitude Magnitude and higher Intensity I II - III IV - V VI - VII VII - IX VIII or higher Description I. Not felt except by a very few under especially favorable conditions. II. Felt only by a few persons at rest, especially on upper floors of buildings. III. Felt quite noticeably by persons indoors, especially on upper floors of buildings. Many people do not recognize it as an earthquake. Standing motor cars may rock slightly. Vibrations similar to the passing of a truck. Duration estimated. IV. Felt indoors by many, outdoors by few during the day. At night, some awakened. Dishes, windows, doors disturbed; walls make cracking sound. Sensation like heavy truck striking building. Standing motor cars rocked noticeably. V. Felt by nearly everyone; many awakened. Some dishes, windows broken. Unstable objects overturned. Pendulum clocks may stop. VI. Felt by all, many frightened. Some heavy furniture moved; a few instances of fallen plaster. Damage slight. VII. Damage negligible in buildings of good design and construction; slight to moderate in wellbuilt ordinary structures; considerable damage in poorly built or badly designed structures; some chimneys broken. VIII. Damage slight in specially designed structures; considerable damage in ordinary substantial buildings with partial collapse. Damage great in poorly built structures. Fall of chimneys, factory stacks, columns, monuments, walls. Heavy furniture overturned. IX. Damage considerable in specially designed structures; well-designed frame structures thrown out of plumb. Damage great in substantial buildings, with partial collapse. Buildings shifted off foundations. X. Some well-built wooden structures destroyed; most masonry and frame structures destroyed with foundations. Rails bent. XI. Few, if any (masonry) structures remain standing. Bridges destroyed. Rails bent greatly. XII. Damage total. Lines of sight and level are distorted. Objects thrown into the air. Seismology - Slide 39

40 Intensität isoseismische Karten - Gefährdung Verstärkung der Bodenbewegung in lockeren Sedimenten (Liquifaction) Bausubstanz als entscheidender Faktor Erkundung historischer Seismizität Erstellung von Gefährdungskarten unverzichtbare Daten für Versicherungsgesellschaften I max = 1.5 M S -1.8 log(h) Seismology - Slide 40

41 Skalares Seismisches Moment M = µad 0 µ: Schermodul A: Bruchfläche d: Verschiebung Seismology - Slide 41

42 Skalares Seismisches Moment M µad = 0 Seismology - Slide 42

43 Skalares Seismisches Moment M = µad 0 Starke und schwache Erdbeben skalieren Unterschiedlich bzgl. der Bruchlänge. Seismology - Slide 43

44 Schwarmbeben Omori s Law n: Zahl der Nachbeben K,c: Konstanten, die von der Größe des Hauptbebens abhängen p: Exponent (~ 1.0 bis 1.4) Bath s law: Größtes Nachbeben ca. 1 Magnitude geringer als Hauptbeben Seismology - Slide 44

45 Erdbeben in Bayern? Bereich Marktredwitz Earthquakes in Germany M>3 Bad Reichenhall Seismology - Slide 45

46 Was sind Schwarmbeben? Beispiel: Vogtland Seismology - Slide 46

47 Schwarmbeben Beispiel: Bad Reichenhall Seismology - Slide 47

48 Schwarmbeben Beispiel: Bad Reichenhall Seismology - Slide 48

49 Seismizität Hochstaufen... die Regenfälle, die im August zum Hochwasser führten, hatten ihren Höhepunkt am Tag Seismology - Slide 49

50 Zeitliche Korrelation Regen 2002 Erdbeben 2002 Magnituden Beginn des Hochwassers Herdkoordinaten Seismology - Slide 50

51 Verwerfungen Herdmechanismen Die Grundtypen der Verwerfungen und die entsprechenden Herdmechanismen. Die dunklen Regionen entsprechen Kompressionen. Seismology - Slide 51

52 Verwerfung Seismology - Slide 52

53 Fault scarps California Seismology - Slide 53

54 Fault scarps California Seismology - Slide 54

55 Fault scarps Taiwan Seismology - Slide 55

56 Dislokationsquelle Double Couple (Scherbruch) Seismology - Slide 56

57 Momententensor Kräftepaare Seismology - Slide 57

58 Velocity seismograms-m6.5 point source Displacement (static near-field effects) Velocity Seismology - Slide 58

59 Abstrahlcharakteristika von Punktquellen P P blue blue S --red red Seismology - Slide 59

60 Scherdislokation Bestimmung von Herdmechanismen P Polarisationen in verschiedenen Richtungen werden zur Abschätzung der Lage der Verwerfungsfläche herangezogen Seismology - Slide 60

61 Beachballs und Momententensoren explosion - implosion vertical strike slip fault vertical dip slip fault 45 dip thrust fault compensated linear vector dipoles Seismology - Slide 61

62 Beachballs - Himalaya Seismology - Slide 62

63 Beachballs - global Seismology - Slide 63

64 Elastic rebound (Reid, 1910) Wir wollen die beobachtete Verschiebung an der Oberfläche mit der Stärke (Magnitude) eines Bebens in Zusammenhang bringen! Wie können wir die Stärke quantifizieren? Seismology - Slide 64

65 Equivalent Forces: concepts The actual slip process is described by superposition of equivalent forces acting in space and time. Seismology - Slide 65

66 Statische Deformation - Rotation Seismology - Slide 66

67 Co-seismische Deformation Simulierte Deformation Beobachtete Deformation Source Kim Olsen, UCSB Seismology - Slide 67

68 Source kinematics Slip rate as as a function of of various fault conditions (Landers earthquake) Source: K Olsen, UCSB Seismology - Slide 68

69 Source kinematics Seismology - Slide 69

70 Source directivity When a finite fault ruptures with velocity v r, the time pulse is a boxcar with duration T R = L(1/v r -cos(θ/v)) Seismology - Slide 70

71 Source directivity The energy radiation becomes strongly anisotropic (Doppler effect). In the direction of rupture propagation the energy arrives within a short time window. Seismology - Slide 71

72 Shakemap Seismology - Slide 72

73 Erdbebenstatistik Das Gutenberg Richter Gesetz Zahl der Erdbeben als Funktion des seismischen Moments für globale Daten. b-wert in der Regel um 1 Seismology - Slide 73

74 Zusammenfassung Seismologie -- Die Die Herdzeit von von Erdbeben kann kann über über die die Differenzlaufzeit von von P und und S Wellen Wellen berechnte werden (Wadati Diagramm) -- Das Das Epizentrum eines eines Bebens Bebens und und dessen dessen Tiefe Tiefe kann kann graphisch ermittelt werden übder übderdie die Distanzen der der the theseismometer von von der der Quelle Quelle -- Die Die Magnitude eines eines Erdbebens wird wird über über den den Log Log der der lokalen lokalen Veschiebung und und einer einer Distanzkorrektur berechnet (Richter Skala) Skala) -- Der Der Erdbebenherd wird wird charakterisiert über über die die Orientierung der der Verwerfungsfläche und und die die Richtung der der Verschiebung -- Diese Diese Information lässt lässt sich sich aus aus den den Polaritäten der der P und und S Wellen Wellen (Abstrahlcharakteristik) abschätzen -- Die Die Häufigkeit von von Erdbeben als als Funktion der der Magnitude ist ist durch durch das das Gutenberg-Richter Gesetz Gesetz beschrieben Seismology - Slide 74