Seismische Wellen

Seismische Wellen
Grundlegendes zum Geologischen
Verständniss
Physik f. Erdwissenschaftler UE
WS 2006/06
12.01.06
Sebastian Jacobs
Historisches
•
•
•
•
•
•
•
Aristoteles glaubt an Winde im Erdinneren die Erdbeben auslösen
Erster Seismograph in China 132 n Chr.
Robert Mallet führt erste Sprengversuche mit Schießpulver durch um Wellengeschwindikeiten
verschiedener Untergrundschichten zu bestimmen(1851,1862)
John Milne, James Ewing, and Thomas Gray bauen erste Seismographen für Erdbeben um 1880 in
Japan
Lord Rayleigh (1842-1919) leitet die nach ihm benannte Oberflächenwelle bereits 1885 noch vor ihrer
Beobachtung theoretisch her. Erkannte die zerstörende Wirkung im vorhinein.
Augustus E. H. Love (1863-1940)
Horace Lamb (1849-1934)
Unterteilung
Raumwellen
•
•
P-Wellen (primae undae, Primär/pressure),
Longitudinalwelle, schwingt parallel zur
Ausbreitungsrichtung; in Festkörpern, Gasen,
Flüssigkeiten und „Pseudoflüssigkeiten“, 1,7 mal
schneller als S-W.
S-Wellen (secundae undae, Sekundär/shear),
Transversalwelle, schwingt quer zur
Ausbreitungsrichtung; nur in Körpern mit
Scherwiderstand-> Festkörper+Körper in
Teilschmelze
Oberflächenwellen
•
•
•
Love-Welle, Bewegung in horizontaler Richtung senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung, horizontal polarisierte S-Welle
Raleigh-Welle, Boden rollt in elliptischer Bewegung auf und
ab, sowie hin und her zur Ausbreitungsrichtung, Aus P- und
S-Wellen zusammengesetzt;0.92 mal schneller als
auslösende S-Welle
Lamb-Welle (Spezialfall der Raleigh-Welle)
Spezialfall Lamb Welle
•
Lamb Wellen stehen eng in Verbindung mit RayleighWellen. Die Ausbreitung erfolgt in Platten
(Schichten), deren Dicke klein im Vergleich zur
Wellenlänge ist. Eine Lamb Welle kann sich allgemein als eine Zusammensetzung von zwei Rayleigh
Wellen vorgestellt werden, bei der sich jeweils eine
auf jeder Platteseite ausbreitet. Dieser Fall stellt sich
ein, wenn die Plattenstärke ca. zwei Wellenlängen
beträgt. Im Falle einer Wellenausbreitung können
immer zwei unterschiedliche Wellen- formen d.h.
Moden völlig unabhängig voneinander auftreten:
symmetrische und asymmetrische Moden, die eine
dementsprechende Verformung hervorrufen. Bei
einer vorgegebene Dicke h und der Frequenz w
können eine unendliche Anzahl von symmetrische und
asymmetrische Moden mit unterschiedlichen Phasenund Gruppengeschwindigkeiten existieren. Die
Wellenausbreitung findet dabei durch vielfache
Reflektionen zwischen Ober- und Unterseite der Platte
statt, wodurch das gesamte Substrat von der
akustischen Resonanz erfaßt wird.
Seismische Wellen - Wofür?
•
•
•
•
•
•
Ausbreitungsverhalten im Erdinneren liefert Hinweise auf Aufbau der Erde
Wellengeschwindigkeiten abhängig von chemischer Zusammensetzung und des Phasenzustands
der Materie (p und T° Abhängigkeit!- siehe Speziellen Mineralogie, 1. Semester)
Die elastischen Wellen erfahren in verschiedenen Tiefen Brechungen, Reflexionen und
kontinuierliche Änderungen im Verlauf ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit
Durch Laufzeitunterschiede kann Epi-, und Hypozentrum bestimmt werden
Effekte weisen auf stark schwankende physikalische Eigenschaften des Erdkörpers hin!
Diskontinuitäten der Geschwindikeitsverteilung
als Grundlage zur für Einteilung in schalenförmige Bereiche des Erdkörpers
P-Wellen
•
•
•
Der Erdkern wirkt für P-Wellen,
die von einer seismischen Quelle
(z.B. Erdbeben oder Explosionen)
ausgehen, wie eine Linse die zu
einem Brennkreis in ca. 145°
Entfernung vom Epizentrum führt.
Da der Erdkern alle direkten PPhasen zwischen einer
Entfernung von 105° bis 142°
durch diesen Effekt ablenkt, bildet
sich hier die so genannte p-wave
shadow zone
Hinweis auf anderes Material
Brechung zum Lot->Hinweis
flüssiger äußerer Kern
S-Wellen
•
Die S-Wellen können nicht durch den
Kern laufen. Ersichtlich durch die
sogenannte s-wave shadow zone.
Daraus lässt sich schließen -> Kein
Schermodul ab der Grenze MantelKern, ergo ist der Kern flüssig
Flüssiger Kern?
Wir befinden uns im
Jahre 2006 n.Chr.
Der ganze Erdkern
ist von einer NickelEisen Schmelze
besetzt... Der ganze
Erdkern?
Nein! Ein, aus einer
unbeugsamen EisenNickel Legierung
bestehender Kern
hört nicht auf bei
360 GP und 5000°C
Widerstand zu
leisten.
Fester innerer Kern
•
•
•
Infolge des zunehmend höheren Drucks bis zu rund 3,3 Mbar an der
Grenze zum Innern Kern in einer Tiefe von 5.080 km verfestigt sich die
Schmelze trotz der hohen Temperatur.
Bisher konnten nur indirekte Beweise für einen festen inneren Kern
gefunden werden
Kürzlich konnte durch Aimin Cao(1), Barbara Romanowicz(1) und Nozomu
Takeuchi (2) der erste direkte Beweis erbracht werden.
1->Seismological Laboratory, University of California, Berkeley.
2->Earthquake Research Institute, University of Tokyo, Japan.
publiziert in Sciencexpress/ www.sciencexpress.org / 14 April 2005 / Page 3/ 10.1126/science.1109134
•
Unter Annahme eines festen Kerns müssten sich Scherwellen in diesem
ausbreiten können und ihn direkt durchlaufen können. Gesucht wurde nach
sog. PKJKP-Wellen, welche den Kern aufgrund der Konversion von Wellen
an Grenzflächen als Scherwellen durchlaufen müssten.
Erdkern – ein update
•
Um PKJKP-Wellen nachzuweisen
müssen das auslösende Beben und
die Beobachtungsstation einander in
einem gewissen Winkel
gegenüberliegen. Dies ist
klarerweise sehr unwahrscheinlich.
Der Nachweis war also ein echter
Glücksfall.
Konversion von Wellen
•
•
•
Wenn eine Wellenfront von einer
konventionellen seismischen Quelle
auf eine Grenzfläche trifft, wird die
reflektierte Energie in P
(primär/pressure) und S
(sekundär/shear) Wellen aufgeteilt.
Ankommende P-Welle (Pinc) mit der
Geschwindigkeit V1 trifft auf
Grenzfläche zwischen oberem (gelb)
Material und dem Material im
Liegenden (blau). Zwei reflektierte und
zwei transmittierte Wellen (mit V2)
entstehen dabei:
Reflektierte S-Welle: Sreft
Reflektiere P-Welle: Preft
Transmittierte S-Welle: Strans
Transmittierte P-Welle: Ptrans
Konversion von Wellen
•
•
P-Welle trifft auf einen Reflektor
Man beachte die unterschiedliche
Geschwindigkeiten der
resultierenden Wellen
Was wird beobachtet - Wie sieht das aus?
•
Wellenlängen: 10-100 m Bereich
•
Frequenz: 10 Hertz bis herab zu 0.3 Milli-hertz Schwingungen pro
Stunde
Entstehung von Oberflächenwellen
•
•
Die zuerst an einem bestimmten Punkt der Oberfläche
ankommenden P-Wellen erreichen diesen Punkt in einem steilen
Winkel und rufen vertikale Bodenbewegungen hervor. Sie bewirken
jedoch noch keine größeren Zerstörungen. Danach folgen die SWellen mit einem relativ heftigen seitlichen Rütteln des Bodens.
Zeitgleich mit ihnen oder kurz danach treffen die Love-Wellen ein.
Der Untergrund beginnt nun stärker, im rechten Winkel zur
Wellenausbreitung, zu beben.
Schließlich laufen die Rayleigh-Wellen ein und erzeugen dabei
Bodenbewegungen sowohl in Längsrichtung als auch in der
Vertikalen. Sie rufen bei großen Erdbeben die viel beschriebene
"rollende Bewegung" des Untergrundes hervor. Die Abfolge der
unterschiedlichen Oberflächenwellen bildet den wesentlichen und
verheerenden Teil eines Erdbebens. Love- und Rayleigh-Wellen
halten fünfmal länger an als P- und S-Wellen.
Was löst Erdbeben aus?
•
•
•
•
•
Tektonische Beben (überwiegend im Sprödbereich- Spannungsbedingt, tw.
Im duktilen Bereich), an Plattengrenzen (Konvergente bis 700 km Tiefe,
Divergente, Transform),Vulkaneruptionen
Intraplatten Beben (Entlastungsbrüche im spröden Bereich) DRÜCK MICH
Klimatisch induzierte Beben (isostatic rebound nach Entlastung, Entlastung
an Störungen Bsp.: "Wasatch-Störung„ Utha)
Einschlag von extraterrestrischen Objekten
Seltsame Erdbeben (Quark-Nuggets durchschlagen Erde mit 900000 km/h
linear)
Anthropogen induziert (Stauanlagen >200 m Wassersäule) Livigno-Stausee
, Blǻsjǿ Stausee 3 mrd m³ 81km²
Erdgas + Ölförderung
Einsturzbeben (Bergwerke)
Überschallknall
große Explosionen (Nuklearbomben, MOAB Bunkerknacker 9500 kg
Ammonium Nitrit-Aluminiumpulver Bombe sog. H6 Sprengstoff)
Aufzeichnung
•
•
Seismograph Inertialseismograph (Trägheitsseismograph)
Aufbau in X, Y und Z Richtung, Anregung von Außen
Audio
Auszug der Anwendungsgebiete Seismischer Wellen
•
•
•
•
Geophysik des Erdinneren (Wissenschaft)
Ingenieurgeophysik (Grenze Fest-, Lockergesteinserkundung)
Prospektion von Rohstofflagerstätten (Erdöl-, Gaslagerstätten)
Seismische Profile
Bohrungsseismik-Korrelation
Thermal- Grundwasserprospektion
Last but not least - Grundlagen
•
Formeln
•
Fermatsches Prinzip
"Seismische Wellen breiten sich wie Licht zwischen zwei Punkten immer längs
desjenigen Weges aus, für den die Ausbreitungszeit minimal ist, das heißt, daß die
Laufzeit einer seismischen Welle durch ein Medium minimal ist.„
Reflexionsgesetz
Ein Strahl trifft unter einem bestimmten Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien.
Normal auf die Grenzfläche durch den Auftreffpunkt des Strahles wird ein Lot gefällt.
Gemäß dem Reflexionsgesetz wird der eintreffende Strahl unter dem selben Winkel
reflektiert
Brechungsgesetz
Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium 1 kleiner als im Medium 2, dann
kommt es zu einer "Brechung vom Lot" ( < ), ist v1 > v2, dann kommt es zu einer
"Brechung zum Lot ( > )". Im ersten Fall kann es bei Überschreitung eines
bestimmten Einfallswinkels, des kritischen Winkels, zu einer überkritischen
Reflexion kommen. Die Welle tritt dann nicht mehr in das zweite Medium ein, sie
wird reflektiert.
•
•
Danke für die Aufmerksamkeit