Überforderte Seismologen.

Veröffentlicht von Verein am 9. Februar 2023

Die Theorie:

Seismische Strahlen verschiedener Phasen im Erdinneren

Geschichte.

Als einer der Väter der Seismologie gilt Ernst von Rebeur-Paschwitz, dem 1889 die erste, noch zufällige Aufzeichnung eines Erdbebens gelang und der seine daraus folgenden Erkenntnisse veröffentlichte. Als eigene Wissenschaft wurde die Seismologie durch den deutschen Wissenschaftler Emil Wiechert (Begründer der Erdbebenwarte in Göttingen) eingeführt, der im Jahre 1899 den ersten Horizontalseismographen erfand. Weitere wichtige Personen in der Seismologie waren die Dänin Inge Lehmann, der Amerikaner Charles Francis Richter, der Deutschamerikaner Beno Gutenberg, der Engländer Harold Jeffreys, der Neuseeländer Keith Edward Bullen sowie Eric R. Engdahl und Edward A. Flinn, die ein Regionalisierungschema für Erdbebenregionen (Flinn-Engdahl-Regionen) erarbeiteten. Bezüglich der Einführung erster Anwendungen in der Erdölprospektion hat sich ein Schüler Wiecherts, Ludger Mintrop, hervorgetan. Moderne Verfahren in der Seismologie sind unter anderem die seismische Tomographie, die Receiver-Functions-Analyse, die Untersuchung von Vorläuferphasen oder Wellenfelduntersuchungen.

Seismogramme.

Ein zentraler Punkt der Seismologie ist die Auswertung von Seismogrammen. Seismogramme zeichnen die Bewegung (Physik) relativ zum ruhenden Erdboden auf. Dabei wird zwischen verschiedenen Arten von Beben unterschieden. Man unterscheidet zwischen Fern-, Regional-, Lokal- und Mikrobeben und kann daran auch die maximale Entfernung des Erdbeben beurteilen.

Fernbeben werden unterhalb von 1 Hz aufgezeichnet. Diese Beben werden auf globalen Netzwerken aufgezeichnet und sie weisen ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Regional- und Lokalbeben müssen in kleinskaligeren Netzen aufgezeichnet werden. Diese weisen wenige 10 bis 1000 km Abstand zum Epizentrum auf. Bei diesen Beben wird bereits höherfrequente Energie bis 100 Hz aufgezeichnet. Mikrobeben können nur von seismischen Stationen in unmittelbarer Nähe, im Bereich von wenigen Metern zum Epizentrum aufgezeichnet werden. Die Abtastrate beträgt minimal 1 kHz. Seismogramme werden oft in drei Komponenten aufgezeichnet. Die Komponenten stehen orthogonal zueinander und werden in Counts aufgezeichnet. Diese sind im Durchlassbereich proportional zur Schwinggeschwindigkeit des Bodens.

Restitution.

Die Umrechnung der Counts außerhalb des Durchlassbereiches in Bodenverschiebung wird Restitution genannt. Dies erhöht das Signal-Rausch-Verhältnis und verbessert die Möglichkeiten, die Phasen und Ankunftszeiten der Wellen zu identifizieren. Vor allem zur Magnitudenbestimmung sind restituierte Daten wichtig.

Rotation.

Das Koordinatensystem eines Seismogramms kann in Richtung des Großkreises zwischen dem Erdbeben und dem Seismometer rotiert werden. Dies ist eine Koordinatentransformation aus den Horizontalkomponenten in Transversal- und Radialkomponenten. Man verwendet dazu die Epizentraldistanz, den Abstand des Seismometers von dem Erdbeben und den Azimuth, den Winkel am Seismometer der Epizentralstrecke zur Nordrichtung gemessen. Außerdem verwendet man den Backazimuth, der den Winkel zwischen den der Epizentralstrecke und der Nordrichtung am Epizentrum misst. Entgegen mathematischer Konventionen wird der Winkel im Uhrzeigersinn gemessen.

Seismische Strahlen.

Seismische Strahlen sind eine hochfrequente Lösung der Bewegungsgleichung einer elastischen Erde. Sie bezeichnen die Trajektorie des Energietransportes in der Erde. Die Ausbreitungsrichtung des Strahls geschieht in Richtung des Langsamkeitsvektors oder alternativ des Wellenzahlvektors. Der Strahlwinkel wird zwischen der Vertikalen und dem Langsamkeitsvektor gemessen. Wendet man das Snelliussche Brechungsgesetz an, kann man nach $p={\frac {r\cdot \sin \varphi }{c}}$ einen konstanten Strahlparameter p ableiten, wobei $\varphi$ der Strahlwinkel, r der Erdradius und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle sind.

Im rechten Winkel zu den seismischen Strahlen liegt die Wellenfront. Die Ebene der Wellenfront wird durch eine konstante Phase definiert. Diese Phasen der Wellenfronten werden an einer seismischen Station gemessen.

Konzept des Strahlenbündels.

Der Energiefluss in einem Strahlenbündel ist bei variierendem Querschnitt des Bündels konstant. Dies ermöglicht die Abschätzung von Amplituden der seismischen Strahlen. Für das Konzept des Strahlenbündels macht man die Annahmen, dass keine Diffraktionen auftreten und die Wellen sich hochfrequent ausbreiten. Aus diesem Konzept folgt, dass ein Strahlenbündel mit großem Querschnitt kleine Amplituden und ein Strahlenbündel mit kleinem Querschnitt große Amplituden aufweist.

Fest steht nur, daß die Meteorologie es etwas einfacher hat, das Wetter zu erkennen, daß in ca. 15 Minuten das „Sagen” hat!

Erdbeben wie in der Türkei vorherzusagen, überfordert Seismologen. Doch es gibt andere Warnmöglichkeiten.

In Japan geht schon Sekunden vor den ersten Erdstößen der Alarm los. Derartige Frühwarnsysteme sind aber selten und aufwendig. Einige Antworten auf häufige Fragen zu Erdbebenwarnungen – weiterlesen im NZZ.

Wie ein Erdbebenfrühwarnsystem funktioniert:

Die Praxis: Ein Erdbeben sieht man nicht kommen.

Der US-Geoforscher Thomas Jordan, 62, über die Haftung für falsche Erdbebenvorhersagen, 25. Sept. 2011.

SPIEGEL: Sechs Ihrer Kollegen sind in Italien wegen fahrlässiger Tötung angeklagt, weil sie nicht ausreichend vor dem Erdbeben von L’Aquila im Jahr 2009 gewarnt haben. Zu Recht?

Jordan: Nein, ich habe mit einer Kommission nach dem Beben die Rolle der Forscher untersucht. Wir konnten dabei keine Fehler in deren wissenschaftlichen Aussagen finden. Es hatte seinerzeit eine Reihe kleiner Schwarmbeben gegeben. Deshalb wurden die sechs jetzt angeklagten Forscher eine Woche vor dem Erdbeben nach L’Aquila eingeladen, um vor den Verantwortlichen Rede und Antwort zu stehen.

SPIEGEL: Und wie lautete ihr Rat?

Jordan: Das Risiko war damals durch die ständigen Erschütterungen in den Wochen zuvor zwar leicht erhöht. Ein unmittelbar bevorstehendes Erdbeben aber, so wie es ein Bürger des Ortes anhand von wissenschaftlich unbewiesenen Methoden prophezeit hatte, konnte beim heutigen Stand der Forschung niemand vorhersehen – weiterlesen.

Gericht spricht verurteilte Erdbebenforscher frei.

Es war ein Schock für Wissenschaftler in aller Welt: Ein Gericht verurteilte sieben Forscher zu Haftstrafen, weil sie das Erdbeben von L’Aquila nicht vorhergesagt hatten. Jetzt sind die Experten in zweiter Instanz freigesprochen worden. L’Aquila – Mehr als fünf Jahre nach dem verheerenden Erdbeben von L’Aquila mit mehr als 300 Toten sind sieben Experten in zweiter Instanz freigesprochen worden. Das entschied ein Berufungsgericht in der mittelitalienischen Stadt am Montagnachmittag, wie die Nachrichtenagentur Ansa berichtet. Das neue Urteil ist noch nicht rechtskräftig. In einem ersten Verfahren waren die Fachleute im Oktober 2012 zu jeweils sechs Jahren Haft verurteilt worden. Der Vorwurf: Sie hätten „ungenaue, unvollständige und widersprüchliche“ Aussagen darüber getroffen, ob die kleineren Erdstöße in den Wochen vor dem großen Beben Grundlage für eine konkrete Warnung sein sollten.

Die Verurteilten waren Mitglieder der sogenannten Risikokommission. In den Wochen vor dem Beben vom 6. April 2009 hatte es viele leichte Erschütterungen gegeben, weshalb die Kommission sechs Tage vor dem Beben getagt hatte. Die Experten erklärten nach dem Treffen, es bestehe kein erhöhtes Beben-Risiko. Sie handelten damit im Einklang mit dem Stand der Wissenschaft: Erdbeben lassen sich nicht vorhersagen. Regelmäßiges Bodenzittern sei in der Region normal, hatten die Forscher erklärt – auch das ist eine unbestreitbare Tatsache. Auf Gefahrenkarten ist die Region als stark erdbebengefährdet eingestuft, L’Aquila leuchtet auf ihnen krebsrot .

Der Richterspruch hatte seinerzeit heftige Empörung in der Fachwelt ausgelöst. Forscher und Verteidigung hatten darauf hingewiesen, dass es bislang nicht möglich sei, größere Erdbeben präzise vorherzusagen. Von einem „skandalösen Urteil“ war die Rede. Zudem warnten Forscher davor, dass Experten sich künftig aus Angst vor juristischen Folgen gar nicht mehr über die Risiken von Erdbeben äußern würden. Die Folgen eines solchen Schweigens könnten aber besonders in Italien beträchtlich sein, da das Land sowohl von Erdbeben als auch von Vulkanen bedroht ist – weiterlesen.

Älteste seismologische Beweise für die Plattentektonik aus dem Proterozoikum (~ 2 Milliarden Jahre vor heute)

3. Oktober 2020 Pia Gaupels.

Die Plattentektonik bzw. das Modell für ein erdumspannendes Netzwerk von Plattenrändern, den dazugehörigen dynamischen, kontinentalen Platten und den geologischen Phänomenen, die ihr zu Grunde liegen, gilt spätestens seit dem Ende der 60er Jahre in den Erdwissenschaften als anerkannt und mehrfach für bewiesen. Einige Fragen beschäftigt die Wissenschaft allerdings heute noch. Wissenschaftler aus China, Australien und Deutschland haben sich mit der immer noch ungeklärten Frage des anfänglichen Einsetzens einer globalen Plattentektonik, die den aktuellen, globalen, dynamischen Prozessen der Erdkruste ähneln, beschäftigt. Nun hat man im früheren Proterozoikum (2,5 – 0,541 Milliarden Jahre vor heute), genauer gesagt im Orosirium (2,05 – 1,8 Milliarden Jahre vor heute), möglicherweise Indizien für den Beginn der modernen Plattentektonik entdeckt.

Grundsätzlich gilt es zwischen zwei Fragen zu unterscheiden. Erstens: Wann fand das erste Mal lokale Subduktion, also das Rückführen bzw. das Recyceln von tektonischen Platten in den Erdmantel in erdgeschichtlicher Hinsicht statt? Zweitens: Ab wann kam es zu global auftretender Subduktion, also zu erdumspannenden, plattentektonischen Prozessen? Die erste Frage ist sehr viel schwieriger eindeutig zu beantworten, während für Letztere einige konkrete Indizien gefunden wurden.

Die ältesten Bereiche der Erdkruste sind kontinentale Kratone. Diese meist zentralen und äußerst stabilen Bereiche unserer heutigen Kontinente weisen häufig Spuren von verschiedensten Gebirgsbildungen und anderen geologischen Prozessen auf. Solche Spuren sind einerseits Gesteine an der Krustenoberfläche, die Rückschlüsse auf Gebirgsbildung zulassen und andererseits seismische Profile, die den lithosphärischen Untergrund des Kratons zeigen. Unter der Lithosphäre versteht man die Erdkruste plus den äußeren Erdmantel. Dieser Erdteil verhält sich definitionsgemäß bei mechanischer Beanspruchung brüchig, starr und elastisch. Deshalb können Erdbeben nur innerhalb der Lithosphäre entstehen. Darunter liegt die Asthenosphäre bzw. der untere Erdmantel. Diese verhält sich definitionsgemäß bei mechanischer Beanspruchung plastisch.

Gleichwohl muss man sich dessen bewusst sein, dass geologisch betrachtet mehrere geologische Events am selben Ort und Stelle sequenziell hintereinander folgen können und somit ältere Events überprägt werden. Ein solches Event kann z.B. ein Vulkanausbruch sein, dessen magmatischen Gesteine anschließend durch ein zweites Event z.B. Metamorphose überprägt werden. Dadurch sind zuverlässigere Indizien nur für das chronologisch zuletzt stattgefundene Ereignis auffindbar. Ältere Gesteine, die zur Rekonstruktion des geologischen Settings dienen könnten, sind häufig überprägt und wenn überhaupt nur indirekt zur Rekonstruktion der früheren Erdgeschichte hilfreich.

Im Orosirium (2,05 – 1,8 Milliarden Jahre vor heute) des Paläoproterozoikum (2,5 – 1,6 Milliarden Jahre vor heute) finden Wissenschaftler in seismischen Profilen und den Gesteinen an der Erdoberfläche vermehrt Indikatoren dafür, dass Gebirgsbildungen exakt in dieser Zeit an den meisten größeren Kontinenten der Erde stattfanden. In diesem Paper haben sich die Forscher mit der Analyse des Ordos Blocks beschäftigt. Dabei handelt es sich um einen Teil des westlichen Nordchinesischen Kratons. Dieser Kraton zeigt besonders im westlichen Bereich, bzw. innerhalb des Ordos Blocks langfristige tektonische Stabilität und keine bis wenig magmatische und metamorphe Aktivitäten. Darüber hinaus gibt es keine Indizien dafür, dass das Untersuchungsgebiet durch das kontinentale Auseinanderbrechen des neoproterozoischen (1,0 – 0,541 Milliarden Jahre vor heute) Superkontinents Rodinia beeinflusst wurde. Deshalb ist dieser Bereich ideal um nach Relikten von paläoproterozoischen Strukturen, die für plattentektonische Aktivitäten in diesem Erdzeitalter sprechen, zu suchen.

Abbildung 1: Der tektonisch unbeeinflusste Ordos Block des Nordchinesischen Kratons; die grüne Linie markiert das seismische Profil des Untergrunds, rote Sterne markieren paläoproterozoische Gesteine mit Hochdruck-Niedrigtemperatur Signatur (https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/32/eabc5491/F1.medium.gif)

Ergebnisse erhoffte man sich durch ein dicht angelegtes Netz von Seismometern im Nordchinesischen Kraton. Durch die seismischen Messungen konnten die Forscher den Untergrund des Ordos Blocks, genauer gesagt die Geometrie Mohorovičić-Diskontinuität (häufig abgekürzt als Moho) untersuchen. Diese markiert die mineralogische und seismische Grenze zwischen dem Erdmantel und der Erdkruste.

Die Geometrie der Moho unterhalb des Ordos Blocks und dem Khondalit Gürtel im Norden des Untersuchungsgebiets weißt stellenweise deutliche Ähnlichkeit mit der Geometrie der modernen Subduktionszone unterhalb des känozoischen (66 – 0 Millionen Jahre vor heute) Himalaya Plateaus auf. Die nach Norden einfallende Moho stellt laut den Wissenschaftlern das Relikt einer paläoproterozoischen Subduktionszone dar. Diese Erkenntnis spricht dafür, dass im Paläoproterozoikum (2,5 – 0,541 Milliarden Jahre vor heute) idente plattentektonische Bedingungen vorherrschten, wie wir sie heute z.B. zwischen dem eurasischen- und indischen Kontinent vorfinden. Laut den Entstehungsaltern der Hochdruck-Niedertemperatur Gesteine im metamorphen Khondalit Gürtel ist diese Subduktionszone ungefähr 2 Milliarden Jahre alt, also zählt sie geochronologisch zum Orosirium (2,05 – 1,8 Milliarden Jahre vor heute).

Darüber hinaus konnten die Forscher weitere Indizien präsentieren, die für das Bestehen eines älteren Superkontinents aus paläoproterozoischer Zeit sprechen. Dieser Superkontinent wird Nuna genannt und verbindet im Paläoproterozoikum (2,5 – 0,541 Milliarden Jahre vor heute) laut Modell den baltischen-, den sibirischen- und nun auch den nordchinesischen Kraton mit Laurentia (nordamerikanischer- und grönländischer Kraton). Damit es zur Bildung eines solchen Superkontinents kommen kann, müssen plattentektonische Verhältnisse vorherrschen, wie sie heute zu finden sind. An anderen Orten der Erde, wie z.B. Sibirien, am baltischen Schild (Skandinavien) oder am kanadischen Schild findet man Gesteine, die für den postulierten Superkontinent Nuna sprechen. Die Rede ist von Gesteinen aus Gebirgszügen, die eine für Subduktionszonen charakteristische Hochdruck-Niedertemperatur-Metamorphose zeigen, sowie Ophiolithe (Teile ehemaliger ozeanische Kruste, die durch Überschiebungen in Gebirgen zu finden sind). Allerdings sind laut den Wissenschaftlern genauere seismische Profile des Untergrunds dieser Kratone nötig, um den Superkontinent Nuna besser rekonstruieren zu können.

Abbildung 2: Rekonstruktion des paläoproterozoischen Superkontinents Nuna
(https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/32/eabc5491/F5.large.jpg?width=800&height=600&carousel=1)

Zusammenfassend lässt sich laut den Forschern mit Zuversicht behaupten, dass im Orosirium (2,05 – 1,8 Milliarden Jahre vor heute) des Paläoproterozoikum (2,5 – 1,6 Milliarden Jahre vor heute) plattentektonische Prozesse, wie wir sie aktuell beobachten können, bereits dominierten. Diese Erkenntnis hat Auswirkungen auf die thermale Geschichte der Erde. Das Einsetzen der Plattentektonik bzw. der Subduktion von Lithosphärenplatten um ~ 2 Milliarden Jahre vor heute steht im Zusammenhang mit sekundärer, planetarer Mantelabkühlung einerseits, ausgelöst durch zunehmende Mantelkonvektion und andererseits, verstärkt durch direkte Abkühlung an Mittelozeanischen Rücken (Tiefseegebirgszone zwischen zwei Lithosphärenplatten, bestehend aus frisch entstandenen basaltischem Gestein). Diese Fakten stimmen mit der Beobachtung überein, dass im Archaikum bzw. vor dem Orosirium (2,05 – 1,8 Milliarden Jahre vor heute) sekundäre Mantelabkühlung keine Bedeutung hatte und Niedrigtemperatur metamorphe Gesteine erst langsam an Bedeutung gewannen.

Veröffentlichung: Bo Wan, Xusong Yang, Xiaobo Tian, Huaiyu Yuan, Uwe Kirscher & Ross N. Mitchell (2020): Seismological evidence for the earliest global subduction network at 2 Ga ago. Science Advances; DOI: 10.1126/sciadv.abc5491 – Quelle: off. PM der Chinese Academy of Sciences.