erdbeben und reibungsgesetze christopher h. scholz: earthqaukes and friction laws (nature, january...
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Erdbeben und Erdbeben und ReibungsgesetzeReibungsgesetze
Christopher H. Scholz: „Earthqaukes and friction laws“ (Nature, January 1998)
GliederungGliederung
1.1. Konstitutives ReibungsgesetzKonstitutives Reibungsgesetz
2.2. ReibungsstabilitätsregimeReibungsstabilitätsregime
3.3. Seismische KopplungSeismische Kopplung
4.4. Stadien im seismischen ZyklusStadien im seismischen Zyklus
5.5. Ausstehende Probleme in ErdbebenmechanismenAusstehende Probleme in Erdbebenmechanismen
ModellModell
Erdbeben = eher Reibungs- , als reines SprödbruchphänomenErdbeben = eher Reibungs- , als reines Sprödbruchphänomen
Erdbeben entstehen selten als Folge neugebildeter Bruchflächen - Erdbeben entstehen selten als Folge neugebildeter Bruchflächen -
eher durch Abrutschen einer präexistenten Störungeher durch Abrutschen einer präexistenten Störung
Byerlee und Brace (1966):Byerlee und Brace (1966):
Stick-Slip InstabilitätStick-Slip Instabilität
Slip = ErdbebenStick = interseismische Periode
zunehmender elastischer Spannung
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Konstitutives ReibungsgesetzKonstitutives Reibungsgesetz
Haftreibung > GleitreibungHaftreibung > Gleitreibung
μμs s μμdd
Beim Gleiten fällt Reibungswiderstand zu niedrigerem Wert ab Beim Gleiten fällt Reibungswiderstand zu niedrigerem Wert ab
μμs s μμdd
Das Gleiten setzt ein, wenn das Verhältnis von Scher- zu Das Gleiten setzt ein, wenn das Verhältnis von Scher- zu Normalspannung den Haftreibungskoeffizienten Normalspannung den Haftreibungskoeffizienten μμs s erreicht!erreicht!
Reibungsmechanismen:Reibungsmechanismen:
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Dietrich – Ruina – Gesetz („Slowness law“):Dietrich – Ruina – Gesetz („Slowness law“):
… Scherspannung
… Gleitgeschwindigkeit
… Reibung im statischen Zustand ( = )
… Materialkonstanten
… effektive Normalspannunng (Spannung – Porendruck)
,
… Bezugsgeschwindigkeit … Gleitdistanz
… Zustandsvariable
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Feder- Block- ModellFeder- Block- Modell
K … Federhärte … effektive Normalspannung τ … Scherspannung
c … kritischer Wert für effektive Normalspannung
> c Gleiten ist instabil
< Gleiten ist stabil wird instabil, wenn es einem Geschwindigkeitssprung ΔV unterliegt
c
ReibungsstabilitätsregimeReibungsstabilitätsregime
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Reibungsstabilität ist abhängig von zwei Parametern: L und (a-b)Reibungsstabilität ist abhängig von zwei Parametern: L und (a-b)
2. metastabiles Feld:2. metastabiles Feld: - - Erdbeben können auftreten Erdbeben können auftreten dyn. Spannung indiziert dyn. Spannung indiziert Geschwindigkeitssprung Geschwindigkeitssprung ΔΔV V
3. instabiles Feld3. instabiles Feld:: - Erdbeben können auftreten- Erdbeben können auftreten
Stabiles Regime:Stabiles Regime:(a – b) >= 0(a – b) >= 0
1. Stabiles Feld1. Stabiles Feld• Keine Erdbeben treten auf – Keine Erdbeben treten auf – Ausbreitung wird sofort gestoppt Ausbreitung wird sofort gestoppt (Spannungsabfall)(Spannungsabfall)
Instabiles Regime:Instabiles Regime: (a – b) < 0(a – b) < 0
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
ReibungsparamReibungsparameter (a-b)eter (a-b)
Temperaturabhängigkeit:Temperaturabhängigkeit:
300°C: - Einsatz der Kristallplastizität im Quarz 300°C: - Einsatz der Kristallplastizität im Quarz (duktilste im Granit)(duktilste im Granit) - Übergang: spröde – duktil (Kristallplastizität)- Übergang: spröde – duktil (Kristallplastizität)
Resultat:Resultat: Keine Erdbeben in Tiefen unterhalb von Keine Erdbeben in Tiefen unterhalb von Temp. von 300°C Temp. von 300°C
Druckabhängigkeit:Druckabhängigkeit:
(a-b) sinkt mit steigendem Druck und Temp. – (a-b) sinkt mit steigendem Druck und Temp. – mit zunehmender Lithifizierung des Materialsmit zunehmender Lithifizierung des Materials
Resultat:Resultat: Störungen haben eventuell ein stabiles Regime Störungen haben eventuell ein stabiles Regime nahe Oberfläche, da dort unkonsolidiertes Mat.nahe Oberfläche, da dort unkonsolidiertes Mat.
!
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Synoptisches StabilitätsmodellSynoptisches Stabilitätsmodell
2 Arten von tektonischen Erdbeben:2 Arten von tektonischen Erdbeben:
größten Erdbeben: Subduktionszonengrößten Erdbeben: Subduktionszonen
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Seismische KopplungSeismische Kopplung
lineares Maß für Erdbebengröße:lineares Maß für Erdbebengröße:
seismisches Moment
MM00 = G = G . . u u . . AA
G … Schermodul, A … Rupturfläche, u … gemittelte GleitdistanzG … Schermodul, A … Rupturfläche, u … gemittelte Gleitdistanz
Moment- Freisetzungsrate: MM00 = G = G . . v v . . AA
Seismische Kopplungskoeffizient:Seismische Kopplungskoeffizient:
Summation aller Erdbebenversätze .
Totale Rate des Versatzes (aus Plattentekt. Bewegung)
..
egungen)Plattenbew aus (
Erdbeben)der aus (
vGvA
vvGvA
=
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
(Kopplungskoeffizient) als Stabilitätsmaß(Kopplungskoeffizient) als Stabilitätsmaß
= 1 Störung völlig im = 1 Störung völlig im instabilen Feld instabilen Feld
krustalen Störungen:krustalen Störungen: ~ 1 ~ 1
(volle seismische Kopplung – (volle seismische Kopplung – Spannungsabbau durch Spannungsabbau durch Erdbeben) Erdbeben)
= 0 Störung total im = 0 Störung total im stabilen Feldstabilen Feld
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
EntkopplungEntkopplung
Abbau von Spannungen muss nicht immer seismisch geschehen (Abbau von Spannungen muss nicht immer seismisch geschehen ( = 0) = 0)
San Andreas Störung: 170 Km lange Kriechsequenz
Ursachen:Ursachen:• ungewöhnlich hoher Porendruck ungewöhnlich hoher Porendruck
seismische Entkopplungseismische Entkopplung
• effektive Normalspannung = Normalspannung - Porendruckeffektive Normalspannung = Normalspannung - Porendruck
• Subduktionszonen teilweise entkoppeltSubduktionszonen teilweise entkoppelt
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Stadien im seismischen ZyklusStadien im seismischen Zyklus
Seismische gekoppelte Verwerfungen:Seismische gekoppelte Verwerfungen:
Seismische Ruhe NachbebenSeismische Ruhe Nachbeben Vorbebensequenz RuhephaseVorbebensequenz Ruhephase
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Generalisierung des InstabilitätszustandesGeneralisierung des Instabilitätszustandes
1-D Feder- Block Modell wird für 3- D Modell verallgemeinert:1-D Feder- Block Modell wird für 3- D Modell verallgemeinert:
_
)(
ab
LGLc
Instabilität tritt auf, wenn Gleitfläche (!) L eine kritische Größe erreicht (= Nukleationslänge)
ABER:ABER:• physik. Bedeutung & Skalierung von Lphysik. Bedeutung & Skalierung von Lcc ist nicht bekannt ! ist nicht bekannt !• Laborwerte: ~ 10 Laborwerte: ~ 10 μμmm• Beobachtungen von Vorbeben gehen von einer Nukleationslänge in m Beobachtungen von Vorbeben gehen von einer Nukleationslänge in m Dimension ausDimension aus
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
Ausstehende Probleme in ErdbebenmechanismenAusstehende Probleme in Erdbebenmechanismen Es existieren viele weitere, bisher nicht näher erforschte, Details Es existieren viele weitere, bisher nicht näher erforschte, Details
zu Erdbebenmechanismen zu Erdbebenmechanismen
Was verursacht die Komplexität von Erdbeben ?Was verursacht die Komplexität von Erdbeben ?
Erdbeben folgen einem log. Verteilungsgesetz Erdbeben folgen einem log. Verteilungsgesetz = Kennzeichen von Systemen selbstorganisierter Kritizität= Kennzeichen von Systemen selbstorganisierter Kritizität
Reibungsgesetz immer noch zu vereinfacht:Reibungsgesetz immer noch zu vereinfacht:
slow earthquakesslow earthquakes
= nicht erwartet nach heutigem Stand des = nicht erwartet nach heutigem Stand des ReibungsgesetzesReibungsgesetzes• Moment release rates sehr geringMoment release rates sehr gering• können in Subduktionszonen unerwartet können in Subduktionszonen unerwartet große Tsunamis generierengroße Tsunamis generieren
!
Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme
EndeEnde--
Danke für Eure Danke für Eure AufmerksamkeitAufmerksamkeit