Erdbeben - Eine Einführung für Geowissenschaftler und Bauingenieure

2. Beschreibung von Erdbeben (S. 81-82)

Die Entwicklung quantitativer Methoden der Erdbebenbeschreibung folgt dem allgemeinen Trend der Geschichte der Naturwissenschaften. Bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts werden die Naturwissenschaften noch sehr stark von beschreibenden Verfahren beherrscht.

Erdbeben werden in ihren Wirkungen erfasst und katalogisiert. Die ersten Instrumente zur Erfassung von Erdbeben werden als Seismoskope bezeichnet. Sie zeigen an, ob ein Ereignis bestimmter Größe stattgefunden hat. Als erstes Gerät dieser Art wird das Seismoskop nach Chang Heng betrachtet (China: 132 n. Chr., vgl. Cerutti, 1987, Lienert, 1980).

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts gab es bereits eine Vielzahl verschiedener Seismoskope (Ehlert, 1898), während gleichzeitig schon Pendelsysteme mit Registriervorrichtung, die ersten Seismographen, in verschiedenen Ländern entwickelt wurden. Etwa parallel zur Einführung seismischer Instrumente verla ¨uft im 19. Jahrhundert der Aufbau der mechanischen Grundlagen der seismischen Wellenausbreitung.

Sie dokumentiert sich in drei klassischen Darstellungen: Lamb (1904): On the propagation of tremors over the surface of an elastic solid (Zur Ausbreitung von Erschütterungen an der Oberfläche eines elastischen Festkörpers), Love (1892): Treatise on the mathematical theory of elasticity (Darstellung der mathematischen Theorie der Elastizität) und Rayleigh (1885): On waves propagated along the plane surface of an elastic solid (ü ber Wellen, die sich entlang der ebenen Oberfläche eines elastischen Festkörpers ausbreiten).

Das Lehrbuch der Seismometrie von Galitzin (1912, deutsch von Hecker 1914) zeigt den Stand der Forschung in der Seismologie vor Ausbruch des I. Weltkriegs. Die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts steht – von wichtigen Ausnahmen abgesehen – im Lichte der seismischen Wellenausbreitung: Die seismischen Wellen liefern die wesentlichen Informationen über den physikalischen Aufbau des Erdkörpers. In der 2. Jahrhunderthälfte rückt die Erforschung des seismischen Herdprozesses immer mehr in den Vordergrund: Durch die Bestimmung von Herdparametern wird der seismische Herdvorgang als tektonisches Phänomen dargestellt. Heute wird er zunehmend in das Gesamtbild der rezenten Krustendeformation eingebunden.und übernimmt die Rolle einer unstetigen Bewegung in einem vorherrschenden Feld stetiger Verformungen (vgl. Ben-Menahem, 1995).

2.1 Seismische Signale

a. Messung

Bei einer seismischen Bewegung des Untergrunds, auf dem wir leben, fehlt ein ruhendes Bezugssystem, gegen das man einen solchen Vorgang messen könnte. Für die Messung der Bodenbewegung wird deshalb ein Hilfsmittel eingesetzt, das die Feststellung einer relativen Bewegung erlaubt: das physikalische Pendel. Seine Masse bleibt im „Idealfall"" in Ruhe, während sein Gestell, das mit dem Untergrund verbunden ist, der Bodenbewegung folgen muss. Erfüllt ist diese Annahme nur dann, wenn die Frequenz der Signale höher als die Eigenfrequenz des Pendels ist.

Ein Seismometer besteht zunächst aus einem Pendel, das zur Unterdrückung von Eigenschwingungen gedämpft ist (Abb. 2.1).

Bei den ersten Seismographen wurde die Bewegung des Indikators, einer stabförmigen Verlängerung der Pendelachse, unmittelbar auf berußtem Papier registriert. Die ersten seismographischen Aufzeichnungen erfolgten mit Horizontalpendeln (Abb. 2.1a), mit denen man die Neigung von Schollen der Erdkruste erfassen wollte (v. Rebeur-Paschwitz, 1889). Man hatte damals die Vorstellung, dass meteorologische Kaltfronten durch ihren Drucksprung eine messbare Kippung von Schollen der Erdkruste bewirken könnten. Statt des erwarteten Effekts wurde an mehreren Orten in Europa ein japanisches Erdbeben registriert: Horizontalpendel reagieren auf Neigungen und auf seismische Wellen. Bei der Realisierung einer Vertikalkomponente ergaben sich zunächst technische Probleme. Die erheblichen Pendelmassen, die man zur ü berwindung der Reibung zwischen Papier und Schreibstift einsetzen musste, stellten an das Federmaterial zur Aufhängung der Pendelmasse schwer erfüllbare Forderungen hinsichtlich seiner Langzeitstabilität. Die Anbringung eines elektromagnetischen Wandlers in Form einer Kupferdrahtspule, die in das Feld eines mit dem Gestell verbundenen Permanentmagneten eintaucht, ergab die Möglichkeit, Seismometer mit wesentlich geringerenMassen auszustatten (Abb. 2.1b). Es konnten jetzt Vertikal – und Horizontalpendel mit gleichen Pendelparametern (d. h. Eigenperiode und Dämpfungsmaß, vgl. Kasten 2.A) entwickelt werden (Galitzin, 1903). Das elektrisches Signal solcher Seismometer wird einem Spiegelgalvanometer zugeführt. Ein vom Spiegel des Galvanometers reflektierter Lichtstrahl fällt auf eine mit Fotopapier bespannte Trommel. Das Problem der Reibung, wie es beim rein mechanisch arbeitenden Seismographen auftritt, entfällt beim elektrodynamischen System."