Seismometer
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Einführung in die Geophysik Einführung in die Geophysik Physik der Erde Einführung in die Geophysik Was ist Geophysik? ● ● ● 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? ● ● ● ● Die Hydrologie, oder Physik der Hydrosphäre ● Ozeanologie ● Limnologie Die Meteorologie, Physik der Atmosphäre ● Wettervorhersage ● Klimaforschung ● Aeronomie, Physik der hohen Atmosphäre Die Physik der festen Erde ● Seismologie und die Struktur des Erdinneren ● Physikalische Geodäsie und Gravimetrie ● Erdmagnetismus ● Gesteinsphysik ● Geodynamik Die Planetologie 1. Teil (Stähler) 2. Teil (Gilder) Einführung in die Geophysik Seismologie? ● ● ● Seismós (gr.): Erdbeben Lógos (gr.): Wort, Lehre Pape (1880) Die Lehre von Erdbeben Einführung in die Geophysik Seismologie! ● ● ● Die älteste Teildisziplin der Geophysik Die simpelste Obversable (Welche?) Bodenbewegung Chang Hêngs Seismoskop, 132 n.Chr. Einführung in die Geophysik Was messen Seismologen? ● ● 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? ● ● Relative Verschiebung Z.B. entlang einer Störung Einführung in die Geophysik Denali Erdbeben (M7.9, 2002) Was messen Seismologen? ● ● Relative Verschiebung In Bezug auf ein SatellitenReferenzsystem (GPS) Tohoku-Erdbeben (2011) Einführung in die Geophysik Was messen Seismologen? ● ● Relative Verschiebung In Bezug auf ein SatellitenReferenzsystem (Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR) Einführung in die Geophysik Was messen Seismologen? ● ● 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? ● ● ● Z.B: Wo geschehen Erdbeben? Chang Hêngs Idee? Der Frosch mit der Kugel zeigt die Richtung ● Der Denkfehler? ● Verschiedene Wellentypen Chang Hêngs Seismoskop, 132 n.Chr. Einführung in die Geophysik Wellentypen: P-Welle ● Primärwelle ● Kompressionswelle ● Longitudinal polarisiert Einführung in die Geophysik Wellentypen: S-Welle ● Sekundärwelle ● Scherwelle ● 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 ● Raumwellen (P und S) ● ● ● Laufen durch das Medium Abschwächung proportional zum Quadrat des Abstands zur Quelle Oberflächenwellen (Rayleigh- und Lovewellen) ● Laufen an einer Grenzschicht (z.B. Erdoberfläche) ● 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 ● Insgesamt 7 elastische Parameter: ● 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) ● 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 ● ● ● ● 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 ● ● ● ● ● 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 ● 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: ● ● ● 12 Hauptstationen Dauerhaf online (DSL, UMTS) Datensammlung in Fürstenfeldbruck Einführung in die Geophysik Deutsches Regionalnetz (GRSN) ● Stationsnetzwerk Deutsches Regionalnetz: ● ● ● 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 ● ● 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 ● Die Richtung der einfallenden Welle war Nordost (aseismische Region) Grund: Direkter Weg zum Tongagraben führt über Norwegen ● 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
