Seismische Wellen

Februar 3, 2016

Armin Grubert

Poster-Presentation „Seismic waves“ at CMCK

Seismische Wellen sind intensive Schwingungen, die sich vom ursprünglichen Bruchpunkt, dem sogenannten Hypozentrum, wie Wellen auf einem Teich ausbreiten, jedoch wesentlich komplexer sind. Diese Wellen können große Entfernungen zurücklegen und Bodenerschütterungen verursachen. In der Nähe des Epizentrums – der wissenschaftliche Name für den Punkt auf der Erdoberfläche über dem Hypozentrum – können sie manchmal extrem zerstörerisch sein.

Erdbeben werden entsprechend der Tiefe ihres Hypozentrums in Erdbeben mit flachem Fokus (oberste 70 km der Erdkruste), mittlerem Fokus oder mittlerer Tiefe (70–300 km) und tiefem Fokus unterteilt. Letztere treten entlang von Subduktionszonen auf, wo kältere ozeanische Kruste unter eine andere tektonische Platte abtaucht, und können bis zu einer Tiefe von 700 km zurückverfolgt werden.

Earthquakes occur when two tectonic plates move suddenly against each other. The rocks usually break underground at the hypocenter and: the earth shakes! Waves spread from the epicenter, the point on the surface above the hypocenter. — Erdbeben entstehen, wenn sich zwei tektonische Platten plötzlich gegeneinander verschieben. Die Gesteinsmassen brechen dabei meist unterirdisch am Hypozentrum und: Die Erde bebt! Vom Epizentrum, dem Punkt an der Oberfläche über dem Hypozentrum, breiten sich Wellen aus.

Was wir über den Aufbau des Erdinneren wissen, stammt größtenteils aus der Untersuchung seismischer Wellen. Wenn seismische Wellen Gesteine unterschiedlicher Dichte durchlaufen, werden sie an den Schichtgrenzen gebrochen, ähnlich wie Lichtstrahlen in einem Glasprisma, und ihre Geschwindigkeit ändert sich. Durch den Vergleich der Laufzeit und der Geometrie seismischer Wellen können wir somit Informationen über die verschiedenen Schichten der Erde gewinnen.

Different seismic body waves pass through the earth interior. — Verschiedene seismische Körperwellen durchlaufen das Erdinnere.

Die Kruste ist die spröde äußerste Schicht, deren Dicke auf Kontinenten zwischen 25 und 60 km variiert, verglichen mit 4 bis 6 km bei der ozeanischen Kruste. Die kontinentale Kruste ist recht komplex aufgebaut und besteht aus vielen verschiedenen Gesteinsarten. Unterhalb der Kruste reicht der dichtere Mantel bis in eine Tiefe von 2890 km.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von seismischen Wellen hängt vom Wellentyp – man unterscheidet zwischen Körper- und Oberflächenwellen – und den Eigenschaften des Gesteins ab: Je dichter das Gestein, desto schneller breiten sich die Wellen aus. Körperwellen breiten sich im Erdinneren aus, während Oberflächenwellen sich entlang der Erdoberfläche fortbewegen. Körperwellen bestehen aus aufeinanderfolgenden Kontraktionen und Expansionen, genau wie Schallwellen in der Luft. Die Bewegung der Partikel im Gestein, durch das sich die Wellen fortbewegen, verläuft parallel zur Richtung der Welle. Körperschallwellen werden weiter unterteilt in Kompressionswellen (Primärwellen oder P-Wellen) und Scherwellen (Sekundärwellen oder S-Wellen). P-Wellen sind longitudinale Stoß- oder Druckwellen, die als erste bei einem Erdbeben entstehen. Sie breiten sich mit hoher Geschwindigkeit (etwa 6–7 km/s) durch jedes Material aus und erreichen als erste die Erdoberfläche. Die Partikel werden entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle verschoben. S-Wellen sind Scherwellen, die transversaler Natur sind, wobei die Partikelbewegung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung der Welle erfolgt. S-Wellen können weder Luft noch Flüssigkeiten durchdringen. Diese Wellen folgen bei einem Erdbeben in der Regel den P-Wellen und verschieben den Boden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Oberflächenwellen sind analog zu Wasserwellen und breiten sich auf der Bodenoberfläche aus. Sie bewegen sich langsamer als Körperwellen. Aufgrund ihrer niedrigen Frequenz, langen Dauer und großen Amplitude können sie die zerstörerischste Art von seismischen Wellen sein.

On a seismogram from an earthquake, the P-wave is the first signal to arrive, followed by the slower S-wave, then the surface-waves (Allaby (2008): National Geographic Visual Encyclopedia of Earth). — Auf einem Seismogramm eines Erdbebens ist die P-Welle das erste Signal, das eintrifft, gefolgt von der langsameren S-Welle und dann den Oberflächenwellen (Allaby (2008): National Geographic Visual Encyclopedia of Earth).

Seismologen können das Epizentrum eines Erdbebens lokalisieren, indem sie die Laufzeiten der verschiedenen seismischen Wellen vergleichen, die von einem Seismometer auf einem Seismogramm aufgezeichnet werden. Die meisten Seismometer basieren auf dem Trägheitsprinzip: Eine aufgehängte Masse neigt dazu, still zu bleiben, wenn sich der Boden bewegt.