Seismologie – ein Fenster zum Erdinneren

Direkt erfahrbare Auswirkungen der anhaltenden Dynamik der Erde sind Erdbeben und Vulkanismus. Immer wieder haben diese Naturgefahren schwere Katastrophen über die Menschheit gebracht. Für die Wissenschaft sind sie aber eine einzigartige Informationsquelle über die Strukturen und Prozesse im Erdinneren.

Die Seismologie, die Wissenschaft von den Erdbeben, hat sich seit dem Ende des letzten Jahrhunderts von einer kleinen, beobachtenden und messenden Wissenschaft zu einem internationalen Großunternehmen entwickelt. Heute findet die Seismologie zahlreiche Anwendungen, etwa bei der Exploration in der Erdölindustrie und bei der Beurteilung der Erdbebengefährdung von möglichen Standorten für große, kritische Bauvorhaben wie Atomkraftwerke, Staudämme oder Brücken, oder auch um Atombombentests nachzuweisen.

Erdbeben entstehen durch Bruchvorgänge an „aktiven“ Rändern von Kontinentalplatten, also bei Subduktionsprozessen, wenn eine Platte unter eine andere gleitet, oder wenn sich Kontinentalplatten seitlich gegeneinander verschieben (s. Abb. 1). Ein solcher „Gleitprozess“ ist keineswegs ein stetiger Vorgang. Vielmehr kommt es immer wieder dazu, dass sich zwei einander gegenüberliegende Einheiten „verhaken“. Verschieben sich die Platten weiter, so werden Spannungskräfte aufgebaut, die in einem plötzlichen Bruchprozess – dem Erdbeben – mit schnellen Verschiebungen freigesetzt werden, die einige Meter betragen können. Welch ungeheure Wirkung Erdbeben haben, sieht man daran, dass die bei einem schweren Erdbeben oft in Sekunden freigesetzte Energie etwa 1 Prozent des jährlichen Energieverbrauchs der USA entspricht. Die beim Bruch freigesetzte Energie breitet sich in Form von Druck- und Scherwellen (also längs und quer zur Ausbreitungsrichtung schwingenden „Schall“-Wellen) in der Erde und an ihrer Oberfläche aus. Diese Wellen werden, bei entsprechender Stärke des Bebens, noch in Entfernungen von einigen tausend Kilometern registriert. Gerade das macht sie nützlich, denn sie enthalten Informationen über die von ihnen durchlaufenen Schichten der Erde.

Die Lage der Epizentren von Erdbeben

Heute registriert man Erdbebenwellen mit Hilfe eines dichten Netzes weltweit installierter Seismometer, die für einen breiten Bereich von Schwingungsfrequenzen empfindlich sind. Die Seismometer sind zu einem internationalen Informationssystem zusammengeschlossen. Die damit gewonnenen Daten werden in Zukunft tomographische, also dreidimensionale Aufnahmen des Erdinneren ermöglichen, auf denen noch Details von einigen zehn Kilometern Größe erkennbar sind.

Es liegt nahe, die Erdkruste nicht nur durch die Wellen der bislang unvorhersehbaren, natürlichen Erdbeben zu untersuchen, sondern auch mit solchen Wellen, die man durch absichtlich ausgelöste Sprengstoffdetonationen in flachen Bohrlöchern oder mit Hilfe von großen Rüttelmaschinen erzeugt hat. Bei dieser Reflexionsseismik werden die aus Tiefen von bis zu 100 km zurückkommenden seismischen Echos von mehreren hundert Seismometern auf der Erdoberfläche registriert. Die Seismogramme der einzelnen Messstationen werden anschließend mit Hilfe spezieller Verfahren überlagert und ergeben dann ein physikalisches Abbild, eine Tomographie des untersuchten Untergrundes. Die Auflösung der Reflexions- und Oberflächenseismik wird von der Wellenlänge der durch das Gestein laufenden Schallwellen bestimmt.