Sonne, Mond und Meer als Teil einer „seismischen Sonde“

Wer einen Blick ins Innere der Erde werfen will, benötigt ein Signal, das Gestein, Minerale und anderes, nicht durchsichtiges Material durchdringen kann. Seismische Wellen stellen so ein Signal dar. Wenn man sie mit einem Seismometer aufzeichnet, lassen sich aus den erfassten Daten Rückschlüsse auf den Zustand des Untergrunds ziehen, den die Wellen durchlaufen haben.

Das Wissen um unterirdische Spannungs- oder Dehnungsschwankungen ist für die Sicherheit im Bauwesen und Bergbau ebenso bedeutsam wie beispielsweise für die Überwachung geologischer Prozesse in Vulkanen und Verwerfungszonen. Nun konnten Christoph Sens-Schönfelder vom Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ in Potsdam und Tom Eulenfeld von der Universität Jena zeigen, dass sich die seismischen Wellen, die die Meeresbrandung auslöst, zusammen mit der Wirkung der Gezeiten auf den Untergrund dazu nutzen lassen, die Eigenschaften der Erde besser zu verstehen.

Seismische Wellen liefern nicht nur Informationen über die Struktur des Erdmaterials, sondern auch über die Kräfte, die darauf wirken. Denn Verformungen des Untergrunds verändern beispielsweise die Geschwindigkeit mit der sich eine Welle darin ausbreitet.

Um aus der Geschwindigkeit Rückschlüsse auf die Kräfte im Untergrund ziehen zu können, sind allerdings Daten darüber nötig, wie das Material unter bekannten Bedingungen auf Verformungen reagiert. Solche Daten gab es bislang nur aus Laborexperimenten, nicht aus dem Freiland.

Christoph Sens-Schönfelder und Tom Eulenfeld ist es nun erstmals gelungen, mit einem einzelnen Seismometer zu vermessen, wie empfindlich seismische Wellen auf die Verformung des Erdmaterials reagieren, in dem sie sich ausbreiten. Sie werteten dazu die Geschwindigkeit des seismischen Rauschens aus, das die Meeresbrandung erzeugt. Darüber berichten sie im Fachjournal Physical Review Letters.

Verformungen im Erdinneren von der Oberfläche aus messen

„Wir benutzen zwei verschiedene Signale, die uns die Umwelt ganz natürlich zur Verfügung stellt“, erklärt Christoph Sens-Schönfelder. „Durch die Gezeitenwirkung von Mond und Sonne führt das Universum ein permanentes Verformungsexperiment mit der Erde durch. Die Gestirne ziehen in großer Regelmäßigkeit an unserem Planeten. Um dieses Ziehen zu beobachten, benutzen wir das seismische Rauschen, das durch die Brandung im Untergrund entsteht.“

Der von Christoph Sens-Schönfelder und Tom Eulenfeld untersuchte Zusammenhang erlaubt im Prinzip eine Vermessung der Verformungen im Inneren der Erde mittels Aufzeichnungen von Seismographen an der Erdoberfläche. Und das, ohne in den Untergrund bohren zu müssen.

Die Daten, die die beiden Forschenden untersucht haben, stammen vom Integrated Plate Boundary-Observatorium in der Atacamawüste im Norden Chiles. Verbesserte Software war nötig, um selbst kleinste Veränderungen der Wellengeschwindigkeit zu erkennen und diese Veränderungen sinnvoll mit der Verformung des Untergrunds durch die Gezeiten zu verbinden. Da diese Gezeitenverformung mit hoher Genauigkeit bekannt ist, ist es möglich, den Untergrund umfassender zu charakterisieren als zuvor.

Dr. Christoph Sens-Schönfelder
Sektion Seismologie
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Tel.: +49 331 288-28705
E-Mail: christoph.sens-schoenfelder@gfz-potsdam.de

Sens-Schönfelder, C., Eulenberg, T., 2019. Probing the in-situ Elastic Nonlinearity of Rocks With Earth Tides and Seismic Noise. Physical Review Letters. DOI: noch nicht bekannt; Veröffentlichung geplant für 5. April 2019 (Zugang auf Anfrage)