Erdbebenentstehung (Seismotektonik)

Die Entstehung von Erdbeben hat die Menschheit seit alters her intensiv beschäftigt. In den am häufigsten heimgesuchten Gebieten, wie z.B. im östlichen Mittelmeer, in Indien, China oder Japan nehmen Erdbeben einen wichtigen Platz in der Mythologie ein. Auf der anderen Seite haben sie seit der Antike auch naturwissenschaftliche Vorstellungen angeregt. So ist z.B. die räumliche Verbindung mit vulkanischen Aktivitäten im Bereich der Inselbögen des zirkum-pazifischen Raumes sehr deutlich, jedoch sind wirkliche vulkanische Beben - verursacht etwa durch explosiven Magmatismus - recht selten. Die verbreitete Vorstellung, dass Beben durch den Einsturz großer unterirdischer Hohlräume entstünden, ist auch nur dort richtig, wo diese in Karstgebieten oder durch Bergbauaktivitäten entstehen können; man nennt sie Bergschläge, wenn sie künstlicher Natur sind. Auch Einsturzbeben haben lediglich lokale Bedeutung. Zusammengerechnet tragen die bisher erwähnten Prozesse nur etwa 1% zur Energie bei, die weltweit durch Erdbeben freigesetzt wird.

Zur Erklärung der Reidschen Scherbruchhypothese. Umgezeichnet nach Berckhemer (1997).

Der weitaus größte Anteil der Beben ist tektonischer Natur und Ausdruck der elastisch-spröden Bruch- und Verschiebungsvorgänge als Folge der sich in der Lithosphäre angestauten Spannungen. Die noch heute in ihren Grundzügen gültige Vorstellung von der Entstehung dieser tektonischen Beben wurde bereits von Reid (1911) entwickelt. Unter dem Eindruck der Deformationen im Nahbereich des San-Francisco-Bebens von 1906 entwarf er seine "elastische Entspannungstheorie" (engl. elastic rebound theory), wonach das Gestein durch Scherkräfte stetig deformiert und bis zu seiner Bruchgrenze beansprucht wird (siehe Abbildung rechts). Nach Überschreitung werden etwa 5 - 50 % der angesammelten Spannungsenergie in seismische Energie (Bewegungsenergie) umgesetzt und der Scherbruch breitet sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 2 - 3 km/s aus. Der Rest wird in Wärme verwandelt und für die Zerkleinerung (Mylonitisierung) der Gesteine in der Bruchfläche verbraucht. Die vom Scherbruch ausgehenden elastischen Deformationen breiten sich wellenförmig im ganzen Erdkörper aus und können je nach Stärke entsprechende Wahrnehmungen und Schäden auslösen.

Spannungsakkumulationen im großen Stil werden im Sinne der globalen Plattentektonik (vgl. 7.3) mit Relativbewegungen an den Rändern der Lithosphäre in Verbindung gebracht. Für das San-Francisco-Beben 1906 kann z.B. folgende einfache Rechnung aufgemacht werden: Die pazifische Platte bewegt sich gegenüber der nordamerikanischen Platte im Bereich der kalifornischen Küste mit 6 cm/Jahr. Genaue geodätische Messungen im Bereich des Herdgebietes nach dem Beben ergab einen Bruchversatz von 6 m, folglich war dieser das Ergebnis einer mindestens 100-jährigen Spannungsansammlung gewesen.

Zur seismischen Signalabstrahlung bei einem Scherbruch. Umgezeichnet nach Berckhemer (1997).

Wie die Abbildung rechts zeigt, entstehen an derartigen Scherbrüchen typische Verteilungen von Kompression und Dilatation. Bei der Bruchfläche und der senkrecht dazu stehenden Hilfsfläche spricht man in Analogie zum Schwingungsknoten einer Saite auch hier von Knotenebenen des Erdbebenvorganges. Nach dem Prinzip des Phasenverhaltens wird eine elastische Welle, die mit einer Dilatation beginnt, auch am Registrierort mit einer Dilatation beobachtet. Für Kompressionswellen gilt entsprechendes. In den beiden rechten Quadranten sind auch schematisch die Seismogrammeinsätze eingetragen. Werden diese Kompressions- und Dilatationsimpulse an genügend vielen, geographisch gut verteilten Erdbebenstationen registriert, lassen sich die Knotenebenen im Raum rekonstruieren, auch wenn die Bruchfläche selbst nicht an der Erdoberfläche gelegen hat.

Die Projektion des Vorzeichens der Bodenbewegung entlang eines Strahls zwischen Hypozentrum und Empfänger auf der Herdkugel. Umgezeichnet nach Berckhemer (1997).

Es ist zweckmäßig, mit Hilfe einer mathematischen Hilfskonstruktion um den Herd eine Kugel zu legen, auf der man die Vorzeichen der ersten Bodenbewegungen an den Stationen entlang des Strahlweges zurückverfolgt. Weitere Informationen enthält auch der Abschnitt Herdflächenlösungen.