DE3901125A1 - Verfahren zum erkennen eines geographischen ortes, dessen groessenausdehnung und der zeitlichen entwicklung des herdgeschehens nahender erdbeben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines geo­ graphischen Ortes, dessen Größenausdehnung und der zeitlichen Entwicklung des Herdgeschehens nahender Erdbeben, das es ge­ stattet, durch Messung und Registrierung eines bestimmten geophysikalischen Phänomens Anhaltspunkte für die exakte Pro­ gnostik gefährlich starker tektonischer Krustenbeben zu er­ halten, dies sowohl bezüglich des Ortes und Zeitpunktes als auch der Magnitude von Erdbeben.

Trotz der ständigen Weiterentwicklung und Verfeinerung her­ kömmlicher seismologischer und geophysikalischer Meßgeräte ist es bislang nicht möglich, Erdbeben exakt zu prognosti­ zieren, insbesondere hinsichtlich ihres Zeitpunktes, damit entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden können.

Wenn in der Vergangenheit dennoch einige Erdbeben in der Volksrepublik China relativ kurzfristig vorausgesagt werden konnten, so zum Beispiel das schwere Haicheng- Beben vom 4. Februar 1975 in der Provinz Liaoning, so diente als Grund­ lage der Prognosen nicht ein apparatives System sondern die landesweite Beobachtung abnormalen Verhaltens von Tieren in den Tagen kurz vor dem Einsetzen der Beben.

Es wird seither seitens der Wissenschaftler nicht länger an­ gezweifelt, daß es geophysikalische Phänomene geben müsse, welche Tiere im Gegensatz zum Menschen beim Nahen derartiger Naturkatastrophen mit ihren Sinnesorganen wahrnehmen können, so daß sie dann in Unruhe oder gar Panik versetzt werden. Die Ursache dieser sogenannten "Erdbebenangst" von Tieren gilt derzeit noch als ungeklärt.

Die Auffassung erscheint gerechtfertigt, daß diese "Erdbeben­ angst" auf der als unangenehm oder schmerzhaft empfundenen, akustischen Wahrnehmung von Ultraschallschwingungen beruht, die von kompaktem Untergrund abgestrahlt werden, wenn dieser kurz vor einem Erdbeben extrem hohen Druckbeanspruchungen aus­ gesetzt wird, wobei aufgrund der zugeführten Energie Gitter­ schwingungen im Kristallgefüge beziehungsweise longitudinale Deformationswellen im Gestein auftreten dürften (DE-OS 37 36 873).

Zweifellos wäre es außerordentlich kostenintensiv und aufwen­ dig, sämtliche geotektonischen Verwerfungszonen mit einem Netz von Sensoren, welche auf hochfrequente Schwingungen an­ sprechen, zu bestücken und die ermittelten Werte zu analy­ sieren, um sie für eine Bebenprognostik benutzen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prognostik tektonischer Krustenbeben vorzuschlagen, das es ge­ stattet, durch möglichst einfache und somit kostengünstige meßtechnische Bestimmungen bei nahenden Beben auftretender geophysikalischer Veränderungen die erforderlichen Anhalts­ werte zu erhalten, die eine weitgehend gesicherte Bebenvoraus­ sage erlauben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Be­ reich geotektonischer Verwerfungszonen nach solchen Erwärmun­ gen des Untergrundes gefahndet wird, welche ihre Ursache nicht in den tageszeitlichen Temperaturschwankungen oder im Vulka­ nismus haben sondern durch die Umwandlung der Energie entstan­ den sind, welche dem kompakten Untergrund in Form mechanischer Druckeinwirkung zugeführt wird.

Nachfolgend ist die Erfindung näher erläutert.

Es ist bekannt, daß die Erde laufend einen beträchtlichen tektonischen Energiefluß liefert.

Besondere Bedeutung kommt hierbei der Rotation großräumiger Konvektionsströme des flüssigen Erdinneren zu, auf deren Rücken die einzelnen geotektonischen Platten schwimmen und hierbei laufend gegeneinander verschoben werden.

Insbesondere bei Überschiebungen oder Horizontalverschiebun­ gen, weniger dagegen bei Abschiebungen, bauen sich vor Dis­ lokationsbeben enorme Verspannungen und Drücke im Untergrund auf, denen das Gestein schließlich statisch nicht mehr stand­ halten kann, wodurch es zu ruckartigen Plattenversetzungen kommt.

Die Magnitude eines Krustenbebens hängt von der Herdflächen­ größe ab. Kleinflächige Verhakungen beziehungsweise relativ gleitfähige Kontaktflächen der einzelnen Platten bedingen lediglich schwache Erdstöße. Dagegen bebt die Erde bei der Lösung großer Herdflächen entsprechend stark, da sich in solchen Fällen sehr viel angestaute Energie entlädt.

Ein großflächiges Herdgeschehen wirkt vor Krustenbeben durch entsprechend großräumige elastische und plastische Gesteins­ deformationen bis an die Erdoberfläche hinauf und wird somit bereits längerfristig als solches erkennbar.

Nach den Gesetzmäßigkeiten der Festkörperphysik bewirkt die zugeführte Energie einerseits eine Deformation des Gesteins und andererseits sowohl Gitterschwingungen im Kristallgefüge als auch eine Wärmeentwicklung.

Bisher wurde dieser Wärmeentwicklung, die während der letzt­ maligen Drucksteigerung im Untergrund kurz vor dem Beben­ eintritt ihr Maximum erreichen muß, von seiten der Geophysik und Seismologie keine besondere Bedeutung für die Erdbeben­ prognostik beigemessen.

Dies dürfte aber ungerechtfertigt sein, da aus einer Vielzahl von Beobachtungen wie auch aus wissenschaftlichen Untersuchun­ gen hervorgeht, daß sich der Untergrund bei nahenden Erdbeben, insbeondere Starkbeben, tatsächlich merklich erwärmt.

So hatten beispielsweise chinesische Wissenschaftler in den Tagen vor dem erwähnten Haicheng- Beben feststellen können, daß sich das Grundwasser, das in zahlreichen Brunnen der Pro­ vinz Liaoning laufend kontrolliert worden war, beträchtlich erwärmte.

Auch aus der italienischen Provinz Friaul sind viele Augen­ zeugenberichte sowie auch behördlich angefertigte Protokolle bekannt, wonach sich das Grund- wie auch das Oberflächenwasser in Teichen kurz vor dem Erdbeben vom 6. Mai 1976 erwärmte, wobei das Wasser höhere Temperaturen annahm als die Luft. Die Lufttemperaturen hatten in den Tagen vor dem Beben Werte von etwa 30 Grad C erreicht, lagen also für die Jahreszeit ungewöhnlich hoch.

Das Phänomen ungewöhnlicher Wärme bei nahenden Beben wird sehr häufig in der Literatur erwähnt. Der italienische Erd­ bebenforscher Mercalli beispielsweise erwähnt es in Zusam­ menhang mit dem Beben vom 16. November 1894 in Kalabrien. Auch von Anwohnern der San- Andreas- Verwerfung wie auch anderer Bebenregionen ist diese Erscheinung beobachtet wor­ den.

In China gilt es unter der Bevölkerung seit altersher als ernstzunehmendes Bebenvorzeichen, wenn mitten in der kalten Jahreszeit Pflanzen auszutreiben und Obstbäume zu blühen be­ ginnen. Neuerdings durchgeführte Erhebungen zeigten, daß hier­ für ungewöhnlich hohe Temperaturen verantwortlich sein könn­ ten (Earthquake Questions and Answers, Geology Press, Peking, 1975).

Immanuel Kant erwähnt in seinen vorkritischen Schriften, in denen er eine Vielzahl ungewöhnllcher Naturphänomene vor dem eminent starken Lissabon- Beben vom 1. November 1755 be­ schreibt, einen "warmen, wie aus einem Ofen kommenden Dampf", der mancherorts aus dem Boden gestiegen sein soll.

Alexander von Humboldt, der 1799 in Cumana, Venezuela, ein stärkeres Beben miterlebte und genaue Aufzeichnungen anfertig­ te, empfand die Luft vor diesem Ereignis als "heiß wie Glut". Während der letzten Stunden vor dem Beben ging die Luftfeuch­ tigkeit von 90 auf 83 Prozent zurück und die Sterne flimmerten bis zum Zenit, was als Indiz für wärmebedingte Luftbewegungen gewertet werden könnte.

In Chile besagt ein Sprichwort, daß einem Erdbeben stets ein Wetterumschlag nachfolgt.

Angesichts der immensen Energiemengen, die dem kompakten Unter­ grund bei nahenden Erdbeben zugeführt werden, erscheint auch die bereits von den Babyloniern und Sumerern sowie von grie­ chischen Physikern der Antike vertretene Auffassung vor einem realen Hintergrund, wonach seismologische Vorgänge stets mit meteorologischen Phänomenen besonderer Art einhergehen. Die bekannteste Theorie zur Bebenentstehung, die während der gesamten Antike unwidersprochen blieb, stellt die sogenannte "Pneuma- Theorie" des Aristoteles dar. Nach seiner Auffassung brauchte sich über einer Region lediglich eine bestimmte Men­ ge jenes Pneumas, das er als heißes Gas charakterisierte, angesammelt zu haben, um Erdstöße auszulösen.

Das in der Antike empirisch gewonnene Wissen um Zusammenhänge zwischen der Erdbebentätigkeit und dem regionalen Wetterge­ schehen wurde auch noch bei der Gründung vieler europäischer Universitäten berücksichtigt, an denen in aller Regel ein ge­ meinsames Institut für Seismologie und Meteorologie einge­ richtet wurde.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist es nicht mög­ lich, daß die Energie, die dem Kristallgitter eines Festkör­ pers in Form mechanischer Druckeinwirkung zugeführt wird, ver­ lorengeht. Sie wird vielmehr in andere Energieformen umge­ wandelt, hierunter in Wärme.

Im Rahmen der Erfindung bestehen mehrere Möglichkeiten, diese Erwärmung meßtechnisch festzustellen, um auf diese Weise Auf­ schluß über den Ort eines Herdgeschehens bei nahenden Krusten­ beben, ferner über die Herdflächengröße sowie auch die zeit­ liche Abfolge der Erwärmung im Untergrund zu erhalten.

Zum einen kann die Anordnung so getroffen werden, daß Tempera­ turmeßfühler in der erforderlichen Mindesttiefe unmittelbar im Massivgestein angeordnet werden.

Wo kein Massivgestein zutagetritt, läßt sich die Anordnung auch so treffen, daß Temperaturmeßfühler in Brunnen instal­ liert sind, dies zweckmäßigerweise in Grundwasserschichten, welche möglichst dicht über kompaktem Untergrund liegen.

Zweifellos wäre die Vor- Ort- Anbringung derartiger Meßfühler im Bereich geotektonischer Verwerfungszonen ähnlich der An­ bringung von Ultraschallsensoren sehr kostenintensiv, wenn­ gleich hierbei nur ein Kriterium funktechnisch zu übertragen und zu bewerten wäre.

Um die Kosten für die Installierung und Wartung zu verringern beziehungsweise eine weitere Meßmethode zu erhalten, kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch so vorgegangen werden, daß die täglich mit Hilfe von Wettersatelliten an­ gefertigten Infrarot- Thermogramme der Erdoberfläche, ins­ besondere jene der Nachtseite der Erde, auf ortsfeste, also nicht mit wandernden Warmfronten identische Erwärmungen des Untergrundes abgesucht werden.

Bei einem bildgebenden, rechnerisch ermittelten Verfahren wä­ re es möglich, örtlich sich ändernde Warmfronten zu subtra­ hieren, wobei das Herdgeschehen nicht nur seine Lokalisation sondern auch seine Größe zu erkennen geben würde.

Letzteres Kriterium ist insofern von besonderer Bedeutung, als es Rückschlüsse auf die Magnitude eines nahenden Bebens zuläßt.

Es ist hierbei nicht als nachteilig anzusehen, daß ein klei­ neres Herdgeschehen einer solchen Fahndung entgehen kann be­ ziehungsweise nicht von anderweitigen Wärmequellen unter­ schieden werden kann, da tektonische Krustenbeben mit klein­ flächigen Herden und entsprechend kleinräumigen Gesteins­ quetschungen, also relativ schwache Beben, im allgemeinen keiner besonderen Vorkehrungsmaßnahmen bedürfen.

Beispielsweise besaß das Erdbeben auf der schwäbischen Alb in Süddeutschland im Jahre 1943 bei einer Herdflächengröße von 1,5 km² eine Magnitude von 4,2 auf der Richterskala. Ein solcher Herd könnte sich durchaus auch tief in der Erd­ kruste verbergen und so jeglicher Fahndungsmöglichkeit ent­ ziehen. Gleiches gilt für die bis zu 720 km tief, also weit im flüssigen Erdinneren liegenden Herde von Erdbeben, die nicht den eigentlichen Krustenbeben zuzuordnen sind.

Dagegen besaß das Alaska-Beben von 1964 bei einer Magnitude von 8,5 auf der Richterskala eine Herdflächengröße von 120 000 km² und seine Herdflächenlänge betrug ein Mehrfaches der Lithosphärendicke.

Es kann davon ausgegangen werden, daß sich derart große Herdprozesse hinsichtlich der großräumigen Erwärmung des Untergrundes nicht im Erdinneren verbergen können sondern bei der Fahndung auf ortsfeste Infrarotabstrahlungen mittels der Thermogramme der Erdoberfläche als solche zu erkennen sein müßten.

Ähnliches gilt für die Art der Bodenbedeckung. Lockersediment­ schichten sind der Infrarotfahndung zwar hinderlich oder ma­ chen diese sogar gänzlich unmöglich.

Jedoch bedingen tektonische Verschiebungen in den besonders gefährdeten Bebenregionen im allgemeinen auch eine Gebirgs­ auffaltung, so etwa im Gebiet des Himalaya, der Anden, der Alpen, des Kaukasus usw.

In solchen Regionen tritt vielerorts Massivgestein zutage, dessen Erwärmung aufgrund der terminalen, maximalen Zufuhr tektonischer Energie der Infrarotfahndung nicht entgehen kann.

Submarin gelegene Herde tektonischer Beben, beispielseise solche im Sagamigraben vor Japan, müssen sich zwangsläufig der Infrarotfahndung entziehen. Dies ist jedoch insofern nicht als nachteilig anzusehen, als mittels der Ultraschall­ fahndung über massivem Meeresboden nach akustischen Gitter­ schwingungen beziehungsweise nach hochfrequenten Schallab­ strahlungen gefahndet werden könnte.

Besonders günstige Voraussetzungen für die Infrarotfahndung nach optischen Gitterschwingungen bestehen dagegen dort, wo bei horizontalen Plattenversetzungen die Bruchlinien frei zutagetreten, wie etwa an der San-Andreas-Fault in Kali­ fornien oder in Nordanatolien.

Es kann als besonders großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erdbebenprognostik, insbesondere der Infrarot­ fahndung angesehen werden, daß dieses einer eingehenden Eig­ nungsprüfung unterzogen werden kann, ohne daß es hierfür des Abwartens weiterer Erdbebenkatastrophen bedarf.

Für diesen Zweck bräuchten lediglich im Rahmen einer retro­ spektiven Vergleichsuntersuchung die Erdbebenbulletins der vergangenen Jahrzehnte mit den archivierten Infrarot- Thermo­ grammen der betreffenden Gebiete verglichen zu werden. Da solche Thermogramme bereits seit dem Jahr 1960 angefertigt wurden, bietet sich die Möglichkeit, wichtige Aufschlüsse über die zeitliche Abfolge der Erwärmung in Erdbebenherden zu erhalten.

Die Voraussetzungen hierfür sind insofern günstig, als ins­ besondere mit Hilfe der in erdnahen Umlaufbahnen kreisenden Satelliten die Temperaturen an der Erdoberfläche gradgenau ermittelbar sind.

Nach den Gesetzmäßigkeiten der Festkörperphysik ist zu erwar­ ten, daß die Infrarotabstrahlung der Erdoberfläche während der letztmaligen, für typisches Gestein statisch gerade noch tolerablen Zufuhr tektonischer Energie, zu bestimmten Maximal­ werten tendiert, die als Grundlage für rechtzeitig ausgespro­ chene Erdbebenwarnungen herangezogen werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erkennen eines geographischen Ortes, dessen Größenausdehnung und der zeitlichen Entwicklung des Herdgeschehens nahender Erdbeben, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in geotektonischen Verwerfungszonen nicht klima- oder durch den Tagesablauf bedingte Temperatur­ änderungen, insbesondere Temperaturerhöhungen beobachtet, registriert und analysiert werden, und daß bei Tempera­ turerhöhungen über ein festgestelltes Durchschnittsmaß hinaus Erdbeben- Vorwarnsignale für die in Betracht kom­ menden Gebiete ausgelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerhöhung des Untergrundes mittels in Bohrlöcher, Brunnen oder dergleichen geführter Temperaturmeßfühler ermittelt, aufgezeichnet und ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßfühler in Massivgesteinsschichten ab­ gesenkt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßfühler in Grundwasserschichten be­ ziehungsweise -ströme abgesenkt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerhöhungen im Erdinneren durch die lokale, begleitende Abstrahlung von Infrarotstrahlen ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotabstrahlung der Erdoberfläche mittels Infra­ rot- Thermogrammen ermittelt wird.