Einführung in die Geophysik
Einführung in die Geophysik
Physik der Erde
Einführung in die Geophysik
Was ist Geophysik?
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Untersuchung und Beschreibung der
physikalischen Vorgänge im System Erde
Erforschung der nicht zugänglichen Teile der
Erde mit physikalischen Methoden
Anwendung dieser Methoden, z.B. zur
Rohstoffsuche
Einführung in die Geophysik
Was ist Geophysik?
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Die Hydrologie, oder Physik der Hydrosphäre
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Ozeanologie
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Limnologie
Die Meteorologie, Physik der Atmosphäre
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Wettervorhersage
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Klimaforschung
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Aeronomie, Physik der hohen Atmosphäre
Die Physik der festen Erde
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Seismologie und die Struktur des Erdinneren
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Physikalische Geodäsie und Gravimetrie
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Erdmagnetismus
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Gesteinsphysik
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Geodynamik
Die Planetologie
1. Teil (Stähler)
2. Teil (Gilder)
Einführung in die Geophysik
Seismologie?
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Seismós (gr.):
Erdbeben
Lógos (gr.):
Wort, Lehre
Pape (1880)
Die Lehre von
Erdbeben
Einführung in die Geophysik
Seismologie!
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Die älteste
Teildisziplin der
Geophysik
Die simpelste
Obversable (Welche?)
Bodenbewegung
Chang Hêngs Seismoskop, 132 n.Chr.
Einführung in die Geophysik
Was messen Seismologen?
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Bodenbewegung
Kann man eine
absolute Bewegung
messen?
NEIN!
Ursache:
Relativitätsprinzip der
klassischen Mechanik:
Alle unbeschleunigten
Systeme sind äquivalent
Einführung in die Geophysik
Was messen Seismologen?
●
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Relative Verschiebung
Z.B. entlang einer
Störung
Einführung in die Geophysik
Denali Erdbeben (M7.9, 2002)
Was messen Seismologen?
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Relative Verschiebung
In Bezug auf ein
SatellitenReferenzsystem (GPS)
Tohoku-Erdbeben (2011)
Einführung in die Geophysik
Was messen Seismologen?
●
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Relative Verschiebung
In Bezug auf ein
SatellitenReferenzsystem
(Interferometric
Synthetic Aperture
Radar, InSAR)
Einführung in die Geophysik
Was messen Seismologen?
●
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Beschleunigung
Bewegung des
Bodens relativ zu
einer Pendelmasse
Horizontal-Seismometer, 1963
Einführung in die Geophysik
Pendel-Seismometer
Pendelarm
Masse, 11 kg
Drucksensoren
Horizontal-Seismometer, 1963
Einführung in die Geophysik
Methodenvergleich
Methode
GPS
InSAR
Seismometer
Art der Messung Punkt
Fläche
Punkt
Messgröße
Verschiebung
Verschiebung
Beschleunigung
Auflösung
~cm
~cm
~nm
Messrate
<100 Hz
1/Woche
Bis kHz
Clipping?
Nein
Ja,
rekonstruierbar
Ja
Einführung in die Geophysik
Seismologie als messende
Wissenschaf
Rebeur-Paschwitz'
Horizontal-Seismograph
(1889)
Rebeur-Paschwitz, Ernst von 1889. The earthquake of Tokio, April 18, 1889. Nature 40: 294-295.
Seismologie als messende
Wissenschaf
Wiechert-Seismograph
(1200 kg Pendelmasse)
(1904)
Moderne Seismologie
Warum messen Seismologen?
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Z.B: Wo geschehen
Erdbeben?
Chang Hêngs Idee?
Der Frosch mit der Kugel
zeigt die Richtung
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Der Denkfehler?
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Verschiedene Wellentypen
Chang Hêngs Seismoskop, 132 n.Chr.
Einführung in die Geophysik
Wellentypen: P-Welle
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Primärwelle
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Kompressionswelle
●
Longitudinal polarisiert
Einführung in die Geophysik
Wellentypen: S-Welle
●
Sekundärwelle
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Scherwelle
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Transversal polarisiert
Einführung in die Geophysik
Wellenausbreitung in der Erde
Einführung in die Geophysik
Wellentypen
Einführung in die Geophysik
Wellenausbreitung in der Erde
Einführung in die Geophysik
Wellentypen
Einführung in die Geophysik
Wellentypen – Zusammenfassung
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Raumwellen (P und S)
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Laufen durch das Medium
Abschwächung proportional zum Quadrat des
Abstands zur Quelle
Oberflächenwellen (Rayleigh- und Lovewellen)
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Laufen an einer Grenzschicht (z.B. Erdoberfläche)
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Abschwächung proportional zum Abstand zur Quelle
Beide Typen existieren in jeweils zwei Polarisationen
Einführung in die Geophysik
Wellengeschwindigkeit
Generell:
v=
Elastische Module
Dichte
P-Welle:
vp =
S-Welle:
λ + 2μ
ρ
vs =
μ
ρ
λ, μ: Laméparameter
(Einheit: Kraf / Fläche, N/m, Pa)
Einführung in die Geophysik
Elastische Moduln
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Insgesamt 7 elastische Parameter:
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Laméparameter: λ, μ (Einheit: N/m, Pa)
●
Wellengeschwindigkeiten: Vp, Vs (Einheit: m/s)
●
Kompressionsmodul: K (Einheit: N/m, Pa)
●
Elastisches Modul: E (Einheit: N/m, Pa)
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Poisson-Verhältnis: ν oder σ (dimensionslos)
●
Aber: Bereits 2 davon beschreiben das
elastische Verhalten vollständig
Einführung in die Geophysik
Elastische Moduln
Einführung in die Geophysik
Wikipedia
P-Wellengeschwindigkeit
Material
Vp (km/s)
unverfestigtes Material
Sand (trocken)
Sand (feucht)
Sedimente
Sandstein
Kalkstein
magmatische Gesteine
Granit
Gabbro
Poren-Inhalte
Luf
Wasser
Öl
andere Materialien
Stahl
Beton
Einführung in die Geophysik
0.2-1.0
1.5-2.0
2.0-6.0
2.0-6.0
5.5-6.0
6.5-8.5
0.3
1.4-1.5
1.3-1.4
6.1
3.6
P-Wellengeschwindigkeit
Einführung in die Geophysik
S-Wellengeschwindigkeit
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Für typische Gesteine ist das Poisson-Verhältnis
σ=0,25
Daraus folgt: Vp = sqrt(3) · Vs
~ 1,7 · Vs
In Flüssigkeiten ist Vs = 0 (keine Scherwellen!)
In porösem Gestein beeinflussen Fluide das
Verhältnis Vp/Vs sehr stark!
Einführung in die Geophysik
Wellengeschwindigkeit
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●
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●
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Wellengeschwindigkeiten
nehmen mit der Tiefe zu
Mehrere Sprungschichten
existieren
Diese definieren z.B. Erdkruste,
-mantel und -kern
Im globalen Maßstab annähernd
sphärisch symmetrisch
Zwei Modelle: PREM und
IASP91 (weitere existieren)
Einführung in die Geophysik
Orten von Erdbeben mit Laufzeiten
●
●
Wie können wir die Distanz zu einem
Erdbebenherd bestimmen?
Wenn wir Vp und Vs kennen (für eine Region of
der Fall), können wir aus der Differenz zwischen
P- und S-Ankunfszeit die Distanz zum Herd für
eine Station bestimmen
●
Rechnung an der Tafel
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Ergebnis Entfernung (in km) ~ (tp-ts)*8
Einführung in die Geophysik
Orten von Erdbeben durch
Ankunfszeiten
Station 2
Station 1
Epizentrum
Station 3
Einführung in die Geophysik
Bayernnetz
●
Stationsnetzwerk
Bayernnetz:
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12 Hauptstationen
Dauerhaf online
(DSL, UMTS)
Datensammlung in
Fürstenfeldbruck
Einführung in die Geophysik
Deutsches Regionalnetz (GRSN)
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Stationsnetzwerk
Deutsches Regionalnetz:
●
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20 Hauptstationen
(gelb, groß)
Gräfenberg-Array
(gelb, klein)
Integrierte Ländernetze
(rot, klein)
Einführung in die Geophysik
Global seismographic network
Einführung in die Geophysik
Jedes registrierte Seismometer
Einführung in die Geophysik
Quelle: ISC, Stand: 2012
Datenmengen
Zuwachs 2015: 60 TB/Jahr
Einführung in die Geophysik
Réunion Hotspot and Upper Mantle - Réunions Unterer Mantel
57 OBS RHUM-RUM
1 Jahr Betrieb = 1 TB Daten
Marion Dufresne
METEOR
Wie sehen seismische Daten aus?
Eine ruhige Station (Berchtesgaden)
in einem Wasser-Hochbehälter
Einführung in die Geophysik
Wie sehen seismische Daten aus?
Eine unruhige Station (Teststation
Observatorium Fürstenfeldbruck)
Einführung in die Geophysik
Wie sehen seismische Daten aus?
Erdbeben?
Einführung in die Geophysik
Bebenlokalisierung
Welche Richtung?
Einführung in die Geophysik
Lösung:
Magnitude 4-Beben
bei Venedig
Einführung in die Geophysik
Laufzeitunterschied BGLD-HROE
ΔT: ~50s
Δx: ~380 km
Einführung in die Geophysik
Wellengeschwindigkeit: ~8,4 km/s
Bebenlokalisierung, zweiter Versuch
Welche Richtung?
Einführung in die Geophysik
Laufzeitunterschied BGLD-HROE
ΔT: <10s
Δx: ~380 km
Einführung in die Geophysik
Wellengeschwindigkeit: >40 km/s
Beobachtungen
●
●
Die Richtung der einfallenden Welle war
Nordost (aseismische Region)
Die scheinbare Geschwindigkeit war fünfmal
höher als beim ersten Beben
Einführung in die Geophysik
Der Rückazimuth
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Beben im TongaGraben, 17000 km
entfernt
Rückazimuth gleich
Richtung zum
Epizentrum auf einem
Großkreis
Einführung in die Geophysik
Scheingeschwindigkeit
●
●
●
Eine Welle, die im Winkel α
einfällt, legt in der Zeit Δt die
Strecke Δx' an der Oberfläche
zurück.
Δx' = Δt·v / sinα
Aus der Scheingeschwindigkeit Δx'/Δt lässt sich
also α bestimmen. (In der
Praxis wenig relevant)
Statt der Geschwindigkeit
verwendet man die
Slowness s = Δt /Δx'
Einführung in die Geophysik
α
t+Δt
t
Beobachtungen
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Die Richtung der einfallenden Welle war Nordost
(aseismische Region)
Grund: Direkter Weg zum Tongagraben führt
über Norwegen
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Die scheinbare Geschwindigkeit war fünfmal
höher als beim ersten Beben
Grund: Die Welle fällt in steilem Winkel von
unten ein
Einführung in die Geophysik
Seismizität
Einführung in die Geophysik