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Räumliche Verteilung der PEGS-Signalstärke während des Tohoku-Bebens im Jahr 2011, kurz vor dem Eintreffen der primären seismische Welle(Abb.: Earth and Planetary Science Letters, Vol 536, Zhang et al. 2020, „Prompt elasto-gravity signals (PEGS) and their potential use in modern seismology“, https://www.sciencedirect.com/journal/earth-and-planetary-science-letters, with permission from Elsevier)

Wie Erdbeben die Schwerkraft verformen

Blitz – Eins, Zwei, Drei – und der Donner. Seit Jahrhunderten schätzen Menschen die Entfernung eines Gewitters aus der Zeit zwischen Blitz und Donner ab. Je größer der zeitliche Abstand zwischen beiden Signalen ist, desto weiter entfernt ist der Beobachter vom Ort des Blitzes. Denn der Blitz breitet sich beinahe ohne Zeitverzögerung mit Lichtgeschwindigkeit aus, der Donner mit der viel langsameren Schallgeschwindigkeit von etwa 340 Metern pro Sekunde.

Auch Erdbeben senden Signale aus, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 Kilometer pro Sekunde) ausbreiten und lange vor den relativ langsam seismischen Wellen (etwa 8 Kilometer pro Sekunde) aufgezeichnet werden können. Allerdings handelt es sich bei den lichtschnellen Signalen nicht um Blitze, sondern um plötzliche Änderungen der Schwerkraft, hervorgerufen durch eine Verlagerung der Masse im Erdinneren. Erst vor kurzer Zeit wurden diese sogenannten PEGS-Signale (PEGS = Prompt elasto-gravity signals) mit seismischen Messungen nachgewiesen. Mit ihnen ließe sich eventuell sehr früh vor dem Eintreffen der zerstörerischen Erdbeben- oder Tsunamiwellen erkennen, dass ein Erdbeben stattgefunden hat.

Allerdings ist die Gravitationswirkung bei diesem Phänomen sehr klein. Sie beträgt weniger als ein Milliardstel der Gravitation der Erde. Daher konnten PEGS-Signale bisher nur für die allerstärksten Erdbeben aufgezeichnet werden. Zudem ist der Prozess ihrer Erzeugung komplex: Sie entstehen nicht nur direkt am Erdbebenherd, sondern auch fortwährend bei der Ausbreitung der Erdbebenwellen durch das Erdinnere.

Bisher gab es keine direkte und exakte Methode, um die Erzeugung der PEGS-Signale verlässlich im Computer zu simulieren. Der Algorithmus, den die Forschenden des GFZ um Rongjiang Wang nun vorgeschlagen haben, kann zum ersten Mal mit hoher Genauigkeit und ohne viel Aufwand PEGS-Signale berechnen. Die Forschenden konnten außerdem zeigen, dass die Signale Rückschlüsse auf Stärke, Dauer und Mechanismus sehr großer Erdbeben erlauben. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht.

Ein Erdbeben verlagert ruckartig die Gesteinsschollen im Erdinnern, und damit die Massenverteilung in der Erde. Bei starken Erdbeben kann diese Verlagerung sogar mehrere Meter betragen. „Da die lokal messbare Gravitation von der Massenverteilung in der Umgebung der Messstelle abhängt, erzeugt jedes Erdbeben eine kleine, aber unmittelbar wirkende, Änderung der Gravitation“, sagt Rongjiang Wang, wissenschaftlicher Koordinator der neuen Studie. Mehr erfahren...

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