Physik des Erdkörpers Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure Von Rolf Schick und Götz Schneider 127 Abbildungen und 14 Tabellen 1 9 7 3 Ferdinand Enke Verlag Stuttgart
Inhaltsverzeichnis 1. Das Aufgabengebiet der Physik des Erdkörpers 1 Allgemeine Literatur 4 2. Die seismischen Wellen 5 2.1 Allgemeines 5 2.2 Die Wellengleichung 11 2.3 Raumwellen in geschichteten Medien 15 2.4 Oberflächenwellen in geschichteten Medien 23 a) Beobachtungen 23 b) Die Behandlung von Seismogrammen für eine Dispersionsanalyse 27 c) Die Berechnung der theoretischen Dispersionskurve 28 d) Ergebnisse der Untersuchungen mit seismischen Oberflächenwellen 35 2.5 Die seismische Wellenausbreitung in Schichten mit Geschwindigkeitsgradienten 36 2.5.1 Allgemeines 36 2.5.2 Der Aufbau des Erdkörpers nach Beobachtungen an Raumwellen 41 2.6 Die Anelastizität des Erdkörpers 47 2.7 Eigenschwingungen der Erde 49 2.8 Durchlaßspektren 52 2.9 Weiterführende Literatur zu Kapitel 2 54 3. Der seismische Herdvorgang 56 3.1 Allgemeines 56 3.2 Erdbebengeographie und Seismizität 57 3.3 «erdmechanik 65 3.4 Die Herdflächenlösung 67 3.4.1 Ergebnisse der Bestimmung von Herdflächenlösungen 76 3.5 Die seismische Energie 80 3.5.1 Deformationsenergie und Wellenenergie 80 3.5.2 Die Analyse nichtperiodischer Signale 83 3.5.3 Das Konzept der Magnitude 85 3.6 Seismotektonik 87 3.6.1 Ergebnisse der Seismotektonik 91 3.7 Makroseismik 93 3.7.1 Tsunami 98 3.8 Das Verhalten von Gesteinen in mechanischen Spannungsfeldern 100 3.8.1 Nachbeben Epizenterwanderung Verkuppelung 107 3.9 Rezente Erdkrustenbewegungen 108 3.10 Weiterführende Literatur zu Kapitel 3 110
VI Inhaltsverzeichnis 4. Die seismischen Instrumente 112 4.1 Allgemeines 112 4.2 Die Bewegungsgleichung des Pendelseismometers 112 4.3 Die Lösung der Differentialgleichung des Seismometers 114 4.4 Die Speicherung der Funktion <p (t) 118 4.5 Spezielle Übertragungsfunktionen zwischen Pendel und Registrierung 118 4.6 Weiterführende Literatur zu Kapitel 4 125 5. Das Schwerefeld der Erde 126 5.1 Allgemeines 126 5.2 Die Undulationen des Geoids 137 5.3 Die Interpretation von Schweremessungen 142 5.4 Isostasie 148 5.5 Die Gezciten des Erdkörpers 150 5.6 Die Rotationsschwankungen des Erdkörpers 160 5.7 Weiterführende Literatur zu Kapitel 5 164 6. Die gravimetrischen Instrumente 165 6.1 Allgemeines 165 6.2 Die Bestimmung der Gravitationskonstanten mit der CAVENDISH-Drehwaage 165 6.3 Absolutmessungen der Schwerebeschleunigung mit Pendelsystemen 166 6.3.1 Die Bestimmung des Absolutwertes von g nach dem Freifallvcrfahren 167 6.4 Bestimmung von Schwereunterschieden mit Gravimetern 169 6.5 Die stationäre Registrierung der Schwerebeschleunigung (Gezeitenmeßstation) 171 6.6 Weiterführende Literatur zu Kapitel 6 173 7. Das erdmagnetische Feld 174 7.1 Allgemeines 174 7.2 Maßsysteme des Elektromagnetismus 174 7.3 Die magnetischen Elemente 179 7.4 Mathematische Beschreibung des erdmagnetischen Feldes 180 7.4.1 Feldtrennung bei beliebiger Oberfläche 180 7.4.2 Die Darstellung nach GAUSS 182 7.4.3 Folgerungen aus den SCHMiDTschen Koeffizienten g und h 183 7.4.4 Das Dipolfeld als erste Näherung des Hauptfeldes 184 7.4.5 Das Restfeld 185 7.5 Die Zeitabhängigkeit des erdmagnetischen Feldes 185 7.5.1 Säkularvariation 185 7.5.2 Die kurzzeitigen Änderungen des erdmagnetischen Feldes (Variationsfeld) 188
Inhaltsverzeichnis VII 7.6 Vorstellungen über die Entstehung des erdmagnetischen Feldes 188 7.6.1 Permanente Magnetisierung 189 7.6.2 Thermoelektrischer Effekt 189 7.6.3 Die Dynamo-Theorie zur Entstehung des Hauptfeldes 190 7.7 Paläomagnetismus 193 7.7.1 Einige Grundbegriffe des Verhaltens von Materie im Magnetfeld 193 7.7.2 Magnetische Eigenschaften von Mineralien und Gesteinen 195 7.7.3 Die natürliche magnetische Remanenz von Gesteinen (NRM) 197 7.7.4 Die thermoremanente Magnetisierung (TRM) 197 7.7.5 Die chemisch remanente Magnetisierung (CRM) 198 7.7.6 Sedimentationsremanenz (DRM) 198 7.7.7 Methoden zur Unterscheidung der verschiedenen Arten der NRM 199 7.7.8 Paläomagnetische Interpretation der Gesteinsremanenz 2Q0 7.8 Die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit in der Erde 202 7.8.1 Die elektrische Leitfähigkeit von Gesteinen 202 7.8.2 Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit in der Erde 204 7.8.2.1 Das Verfahren der galvanischen Geoelektrik 205 7.8.2.2 Erdmagnetische Induktionsmethoden 207 7.8.2.3 Die Bestimmung der Leitfähigkeitsverteilung durch rein magnetische Messungen mit Hilfe von Erdfeldvariationen 208 7.8.2.4 Magnetotellurik 212 7.9 Magnetismus und Tektonik im Ozean 213 7.10 Weiterführende Literatur zu Kapitel 7 215 8. Die erdmagnetischen Instrumente 216 8.1 Allgemeines 216 8.2 Magnetische Feldwaagen 216 8.3 Saturationskernsonden 217 8.4 Protonenpräzessions-Magnetometer 221 8.4.1 Physikalische Grundlagen 222 8.4.2 Präzession der atomaren Magnete 223 8.4.3 Freie Präzession 224 8.4.4 Technische Ausführung eines Protonenmagnetometers 224 8.4.5 Das Protonenmagnetometer als Observatoriumsinstrument 225 8.5 Absorptionszellen-Magnetometer 226 8.6 Weiterführende Literatur zu Kapitel 8 227 9. Der terrestrische Wärmefluß 228 9,1 Die Ausbreitung von Wärmemengen 228 9.1.1 Die Grundgleichung der Wärmeleitung 228 9.1.2 Der Einfluß der Wärmestrahlung 230 9.1.3 Der Wärmefluß an der Erdoberfläche 230 9.1.4 Wärmetransport durch Konvektion 232
VIII Inhaltsverzeichnis 9.2 Wärmequellen in der Erde 235 9.2.1 Wärmeergänzung durch radioaktiven Zerfall 235 9.2.2 Wärmequellen durch Intrusion von magmatischem Material 238 9.3 Die Temperaturverteilung in der Erde 238 9.4 Weiterführende Literatur zu Kapitel 9 240 10. Die Messung des terrestrischen Wärmeflusses 241 10.1 Allgemeines 241 10.2 Die Messung des Temperaturgradienten 241 10.3 Die Messung der thermischen Leitfähigkeit 242 10.4 Weiterführende Literatur zu Kapitel 10 242 11. Der physikalische Aufbau des Erdkörpers 243 11.1 Allgemeines 243 11.2 ADAMS-WiLLlAMSON-Gleichung 243 11.3 Erdmodelle durch Monte-Carlo-Inversion 244 11.4 Weiterführende Literatur zu Kapitel 11 249 12. Literaturverzeichnis 250 13. Zeitschriftenverzeichnis 260