Kriechende Steine, Dehnungsmesser und Laserlicht - scinexx | Das Wissensmagazin
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Kriechende Steine, Dehnungsmesser und Laserlicht

Geophysikalische und geodätische Methoden der Erdbebenüberwachung

Trotz aller Debatten über die Existenz von eindeutigen Vorläufersignalen herrscht bei vielen Erdbebenforschern Einigkeit über zwei Annahmen: Wenn es warnende Anzeichen geben sollte, werden sie unauffällig sein, denn alle vermeintlich eindeutigen sind bereits ausgiebig erforscht worden, und sie werden sich in Anomalien im Spannungsverlauf des Gesteins ausdrücken.

Wenn das Gestein kriecht

Forscher des US Geological Survey und der Stanford University fanden 1997 bei der Auswertung seismischer Daten von verschiedenen Erdbeben Hinweise auf eine schleichend langsame Gesteinsbewegung jeweils kurz vor dem Beginn der Beben. Bereits in den achtziger Jahren hatte James Dietrich, heute Leiter der Abteilung Erdbebengefährdung in der USGS, dieses Phänomen mathematisch beschrieben und „premonitory creep“ getauft. Im Labor zeigte ein durchgeteilter Granitblock, dessen zwei Hälften unter hohem Druck gegeneinandergepresst wurden, kurz vor dem Entstehen der Miniaturbrüche ebenfalls diese Kriechbewegung.

Direkt im Freiland belegt wurde eine solches Kriechen erstmals im kalifornischen San Juan Bautista. Dort hatten Dehnungsmesser im August 1997 ein ungewöhnliches Kriechen des Gesteins von nur einem Bruchteil eines Millimeters registriert – unmittelbar über der Stelle, an der rund eine Woche später ein Beben der Stärke 5,1 auf der Richter Skala auftrat. Ob es sich dabei jedoch wirklich um das Phänomen des „premonitory creep“ gehandelt haben könnte, ist allerdings nicht klar.

Laser decken Untergrundbewegungen auf

Am ehesten Aufschluss über die schleichenden Verformungen, die in der Folge der Bewegungen der tektonischen Platten gegeneinander auftreten, geben genaue Vermessungsmethoden. Auf dem Versuchsfeld im kalifornischen Parkfield werden bereits seit geraumer Zeit die Bewegungen der Gesteinsformationen entlang des San Andreas Grabens und angrenzender Störungen mit Hilfe modernster Lasertechnik registriert.

Bei den einfachen kommerziell eingesetzten Lasermeßgeräten wird ein Laserstrahl, normalerweise im roten oder infraroten Bereich, von einem auf bestimmten Landschaftstrukturen angebrachten Reflektor zurückgeworfen. Über die Zeit, die das Licht für den Hin- und Rückweg benötigt, kann die Entfernung bei einer Distanz von 10 Kilometern bis auf wenige Millimeter genau berechnet werden. Vorraussetzung für eine akkurate Messung ist allerdings, dass man den momentanen Luftdruck und die Temperatur der Meßstrecke genau kennt, um damit die akkurate Lichtgeschwindigkeit zu berechnen.

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Bis auf 0,5 Millimeter genau

In Parkfield hat man daher ein System entwickelt, bei dem ein sogenanntes Zweifarb-Geodimeter zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge – im roten und im blauen Bereich – aussendet. Beide Wellenlängen werden von der Atmosphäre unterschiedlich stark gestreut. Die Zeitdifferenz, mit der sie wieder an ihrem Ausgangspunkt eintreffen, steht in direkter Relation zu Temperatur und Luftdruck der Atmosphäre, aus ihr kann daher die genaue Geschwindigkeit ohne aufwendige Zusatzmessungen berechnet werden.

Mit Hilfe dieser Methode ermitteln die kalifornischen Seismologen Verformungen der Erdoberfläche auf einer Strecke von einem bis zwölf Kilometern bis auf 0,5 bis 1,0 Millimeter genau. Die Lasergeodimeter bilden zusammen mit anderen geodätischen Meßmethoden in Kalifornien ein vernetztes System von Meßpunkten, mit dessen Hilfe auch geringste Verschiebungen und Verformungen des Untergrunds im Bereich des San-Andreas-Grabens registriert werden können.

Unterstützung aus dem All

Lange Zeit scheiterte eine direkte und umfassende Überwachung der Bewegung der Platten gegeneinander an den riesigen Dimensionen der Plattengrenzen, die zum Teil mehrere hundert oder tausend Kilometer breit sind. Ihre relative Bewegung konnte daher nur indirekt über punktuelle Messungen registriert werden. Das Global Positioning System (GPS) erlaubt es, mittels Satelliten die genauen Bewegungen der tektonischen Platten aus der Erdumlaufbahn zu erkunden.

Die GPS Satelliten umkreisen die Erde mit einer Geschwindigkeit von rund vier Kilometern pro Sekunde in einer Höhe von 20 000 Kilometern über dem Erdboden. Zweimal täglich umrunden sie die Erde und senden dabei kontinuierlich Signale über Zeit und genaue Position, aus denen an den GPS-Bodenstationen. Mittels GPS-Empfängern entlang von Verwerfungen können Geologen daher auch über große Strecken hinweg Verformungen und Verschiedungen des Untergrunds messen.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Erdbeben
Vorhersagbar oder aus heiterem Himmel?

Plattentektonik und Erdbebenverteilung
Von Kontinenten, Drift und Konvektionsströmen

Intraplattenbeben
Warum auch in Deutschland die Erde beben kann

Erdbebenwellen und ihre Wirkungen
Von Wellen, Schwingungen und Kompressionen

Von Magnituden, Intensitäten und dem seismischen Moment
Die Bestimmung der Erdbebenstärke

Die Beschaffenheit des Untergrunds
Die Beispiele Mexico City und Loma Prieta

Instrumente zur Erdbebenmessung
Vom Drachen- Seismoskop zum „Strong- Motion- Sensor“

Kriechende Steine, Dehnungsmesser und Laserlicht
Geophysikalische und geodätische Methoden der Erdbebenüberwachung

Mathematiker bringen Prognosen zum Beben...
Wie genau sind die Berechnungen der Erdbeben-Wahrscheinlichkeit?

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