geolinde

Erdbeben-Stärke

Die Ursprünge: die Richter Skala:
Charles Francis Richter entwickelte 1935 eine Skala zur Stärkemessung von Erdbeben.
Die Stärke, oder Magnitude (M) wird mit den Zahlen ab 1 angegeben, es wird die beim Erdbeben freigesetzte Energiemenge bewertet.
Dabei ist ein Beben der Magnitude 2 zehn Mal stärker ist, als ein Beben der Stärke 1!
Die Richter-Skala misst nur einen schmalen Bereich der Erdbebenwellen und ist nur für relativ nahe Erdbeben bis 1000 Kilometer Entfernung geeignet.

• Stärke 1-2:  nur mit Messinstrumenten nachweisbar
• Stärke 3: nur nahe am Bebenherd spürbar
• Stärke 4-5:  ca. 30 Kilometer um das Bebenzentrum herum spürbar, manchmal kleinere Schäden
• Stärke 6:  mittleres Beben, es sind Todesopfer und deutliche Gebäudeschäden  möglich
• Stärke 7: starkes Beben mit manchmal katastrophalen Schäden
  
• Stärke 8: sehr schweres Beben
• Stärke 9 und häher: bisher nicht gemessen!

Bodenverschiebung um über 2,5 Meter beim San Francisco-Beben 1908
(courtesy USGS)

Der Standard: die Moment-Magnitude
Mit der Moment-Magnitude (Mw) wird der gesamte Bereich der an einem Messort eintreffenden Erdbebenwellen gemessen. Mit der Moment-Magnitude werden die Größe des Erbebenherdes, die auftretende Verschiebung im Gestein und die Gesteinsfestigkeit berücksichtigt. Ergebnisse liegen hier nicht sofort vor, da alle nacheinander eintreffenden Bebenwellen in die Mw eingerechnet werden müssen.
Die Moment-Magnitude ist inzwischen ein Standard-Messverfahren.

Sie wird ebenfalls von 1- 9 (und höher angegeben).

Das Maß der Zerstörung: die (modifizierte) Mercalli-Skala

• Stärke I: nicht vom Menschen spürbar
• Stärke II:  kaum spürbar, höchstens in hohen Gebäuden
• Stärke III: wird von vielen bemerkt, in Räumen schwanken Lampen
• Stärke IV: wird allgemein bemerkt, Geschirr klappert, parkende Autos ruckeln
• Stärke V: wird bemerkt, Menschen werden geweckt, Türen gehen von selbst auf, Geschirr zerbricht,...
• Stärke VI: jeder bemerkt das Beben, Möbel bewegen sich, man hat Schwierigkeiten aufrecht zu gehen, keine strukturellen Schäden an Gebäuden
• Stärke VII: Stehen macht Schwierigkeiten, leichte Gebäudeschäden

Auswirkungen einer Verschiebung entlang eines Bruches
(©Steven Dutch, Natural and Applied Sciences, University of Wisconsin - Green Bay)

• Stärke VIII: Autos sind kaum noch steuerbar, Türme können einstürzen, Baumwipfel können brechen, der Wasserstand in Brunnen kann sich ändern
• Stärke IX: deutliche Gebäudeschäden, einige unterirdische Versorgungsleitungen werden zerstört, Spalten  im Boden,...
• Stärke X: massive Gebäudeschäden, Brücken können einstürzen, Dämme werden schwer beschädigt, größere Landrutschungen treten auf,...
• Stärke XI: die meisten Gebäude werden zerstört, Brücken stürzen ein, große Spalten im Boden, alle unterirdischen Leitungen sind zerstört
• Stärke XII: alles wird zerstört, Gegenstände werden durch die Luft geschleudert, große Bodenbewegungen

Quellen:
http://earthquake.usgs.gov
http://www.seismo.unr.edu

Erdbeben-Messung

Schon seit 100 Jahren lassen sich Erdbeben mit Hilfe von Messgeräten, sogenannten Seismometern messen. Ein Seismometer misst die Bebenwellen, die von sich verschiebendem oder brechenden Gesteinsmassen ausgehen und sich über weite Entfernungen im Gestein ausbreiten.

(alle Grafiken USGS)

Steigt zum Beispiel Magma in einem Vulkan auf (rechts), so üben flüssiges Gestein und die enthaltenen Gase Druck auf das umliegende Gestein aus (Mitte). Durch den Druck entstehen Risse und Spalten, was Bebenwellen auslöst (links)

Ein auch heute noch üblicher Seismometer zeichnet die Bebenwellen als Zickzack-Ausschläge auf einer langen Papierbahn auf. Je stärker die eintreffenden Bebenwellen, desto größer die Ausschläge.

Seismometer (hier ein tragbares Gerät)
USGS

Quellen:

• USGS

Destruktive Plattengrenzen II

eine ozeanische, eine kontinentale Platte:

(übersetzt nach This dynamic earth/USGS)

die ozeanische Platte taucht unter, eine Tiefseerinne entsteht. Auf der ozeanischen Platte liegt wasserhaltiges Sediment auf. Das Wasser wird beim Abtauchen in einiger Tiefe herausgepresst und senkt den Schmelzpunkt des umliegenden Gesteins ab. Das geschmolzene Gestein dringt durch Risse nach oben, es bildet sich ein Gebirge mit Vulkanismus am Kontinentalrand, Erdbeben sind sehr häufig (Bsp.: Westküste Südamerikas)

Vergleiche die Animation auf der Startseite!

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Der Mensch und das Beben - eine offene Bilanz

Beben töten!

Ohne Plattentektonik wäre die Erde tot!

Diese Aussage mag bei den bekannten Gefahren durch Erdbeben und Vulkanismus seltsam erscheinen. Dennoch ist nicht zu leugnen, dass ohne den Kreislauf der Neuschaffung und Zerstörung von Erdkruste in geologisch kurzer Zeit keine fruchtbaren Böden und keine dringend benötigten Rohstoffe mehr neu entstehen würden.

Reisterassen auf fruchtbaren Vulkanböden auf Bali
(© the_rogr; Creative Commons-Lizenz)

Vulkanische Böden sind besonders fruchtbar: aus Vulkanasche und Lava bilden sich unter Einfluss von Regen und Wärme Böden, die mineralstoffreich und wasserspeichernd sind und einen hohen Gehalt an Mineralstoffe speichernden Tonmineralien besitzen. Besonders in den bevölkerungsreichen Ländern der Dritten Welt werden solche Böden nahe an aktiven Vulkansystemen maximal genutzt. Hier sind Millionen Menschen in andauernder Gefahr. Die Wahrscheinlichkeit für immer größer werdende Schadensereignisse steigt damit. Allerdings kann für eine immer weiter steigende Bevölkerungszahl auf diese Böden nicht verzichtet werden.

Ein Dreieck mit beinahe 2,5 Kliometer Seitenlänge, bis zu 700 Meter tief: die Toquepala Kupfer Mine in Peru ist eine der größte Minen der Welt!
(NASA)

Durch Vulkanaktivität entstandene Lagerstätten sind heiß begehrt: ob Platin, Titan oder Eisen in abgekühlten Magmakammern, Kupfer-, Nickel-, oder Mangananreicherungen an Heißwasserschloten an mittelozeanischen Rücken oder Salzlagerstätten an durch Plattenbewegungen entstandenen Schwächezonen, die Vielfalt ist unerschöpflich.

Ein Blick von halber Höhe in die Kupfermine
(Univ. of Utah; www.mines.utah.edu/.../CMES-SEGhome.html)

Baumaterial aus Vulkangestein wird in großen Mengen eingesetzt: ob leichter Tuff oder harter Basalt,...

Das Wairakei Geotermalkraftwerk in Neuseeland
(© David Cross; Creative Commons Lizenz)

Energie aus Vulkanen spart Treibhausgase: nicht nur in Island kann geothermische Energie kostendeckend eingesetzt werden, auch in Kalifornien (The Geysers, 1500 MW), Neuseeland (Wairakei, 200MW) oder Italien (Lardarello, 400 MW) wird in jungen Vulkangebieten Energie gewonnen.

Und die Zukunft?

Plate tectonic maps and Continental drift animations by C. R. Scotese,
PALEOMAP Project (www.scotese.com)

In 50-100 Millionen Jahren werden sich Afrika und Europa zu einem Kontinent vereinigt haben, in 150 Millionen Jahren auch Australien und die Antarktis.

Plate tectonic maps and Continental drift animations by C. R. Scotese,
PALEOMAP Project (www.scotese.com)

In etwa 250 Millionen Jahren könnte es wieder einen Superkontinent geben (nur ohne Austrarktis!?) mit einem schönen Binnenmeer von der Größe des heutigen Europa.

Plate tectonic maps and Continental drift animations by C. R. Scotese,
PALEOMAP Project (www.scotese.com)

Wann in ferner Zukunft das "innere Feuer" der Erde so weit abgekühlt sein wird, dass es keine MOR, keine Subduktion,... mehr geben wird ist ungewiss. Dann aber wird die Erde (vielleicht) "bebensicher", aber auch irgendwann unfruchtbar.

Der Aufbau der Erde und die Umwälzströme

(übersetzt nach This dynamic earth/USGS)

Gliederung:

Kruste und Oberer Mantel:

• Lithosphäre („Steinbereich“):
  Kruste und ein Teil des Oberen Mantels (bis ca. 100 km): starr, fest;
  ozeanische und kontinentale Kruste unterscheiden sich durch ihre Dichte, kontinentale Kruste ist weniger dicht und damit leichter.
• Asthenosphäre („Schwächezone“): Oberer Mantel (bis ca. 250 km): zäh-viskos, gleitfähig
• Mesosphäre („Mittelzone“): unterster Teil des Oberen Mantels (bis ca. 650km): fest, aber fließfähig

Unterer Mantel (650-2900 km):

• evtl. langsam konvektierender Bereich, auch in diesen Bereich tauchen Platten ab (vielleicht sogar bis kurz vor die Mantel-Kern-Grenze)

Kern(2900-6370 km):

• Ähnlich einem Meteoriten besteht er hauptsächlich aus Eisen und Nickel, Druck bis 3500 Kilobar, Temperatur bis 5000°C
• Äußerer Kern (2900-5100km): flüssig, metallisch
• Innerer Kern: (bis 6370km): fest, metallisch
• Das flüssige Material des äußeren Kernes strömt um den inneren Kern herum und erzeugt das Erdmagnetfeld (wie bei einem Dynamo)

Die Umwälzströmungen (Konvektionsströmungen)

Strömungen von geschmolzenem Gestein die Platten bewegen können:
solche kompletten walzenförmigen Umwälzsysteme unter Mittelozeanischen Rücken werden heute als Ausnahmefälle angesehen.
(Abb. übersetzt nach This dynamic earth/USGS)

Konvektionsströmungen werden durch Hitze aus dem Erdkern angetrieben. Sie strömen aber so langsam, dass sie Hunderttausende bis Millionen Jahre für eine Umwälzung benötigen!

Visualisierung einer aktuellen Simulation der Mantelkonvektion: oben die Erdkruste, unten die Kern-Mantelgrenze, an der die Strömungen beginnen aufzusteigen
(© Arbeitsgruppe Geodynaik, Uni Münster)

Aufsteigende Säulen heißeren Materials (gelb) und die den Kreislauf schließenden absteigenden (blauen) Materialströme.
Hier gibt es eine Animation der Vorgänge
(© Arbeitsgruppe Geodynaik, Uni Münster): -> hier klicken!

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Erdbeben
Das Tsunami-Beben vor Sumatra (2004)

Erdbeben treten besonders häufig an den Grenzen zweier Platten der Erdkruste auf.

(NASA - Earthobservatory (auch Teile des unten stehenden Textes wurden übersetzt (STM) übernommen))

Erdbeben durch Subduktion
Das Zentrum des Bebens (Stern) und die Nachbeben (Kreise) zeigen die Auswirkungen des Vorganges der Subduktion. Bei der Subduktion wird eine starre Erdplatte unter eine andere geführt, in diesem Fall die Indische Platte unter ein "kleines" Plattenteil vor der Eurasischen Platte, die Burma-Platte. Ein Verhaken der Platten ineinander und ein plötzliches Brechen eines Plattenteiles erzeugten dieses massive Beben der Stärke 9,3 (nachträglich korrigiert).

Um bis zu 15 Meter bewegten sich Plattenteile und beschleunigten dabei gewaltige Wassermengen. Das erzeugte die Tsunami.

Animation zur Entstehung eines Tsunamis: -> hier klicken (roter Faden)!
(©Prof. Miho Aoki from the University of Alaska Fairbanks Art Department)

Mehr zum Tsunami-Ereignis von 2004: ->hier klicken (roter Faden)!

Auf bis zu 1200 Kilometer Länge wurden über der Subduktionszone liegende, durch das erste Beben geschwächte Gesteinsschichten gelockert und bewegten sich stückweise. Das erzeugte eine Reihe von Nachbeben, die in der obigen Karte als Kreise eingezeichnet sind. Besonders gefährdet für starke Nachbeben waren die Gebiete am Rand der Bebenzone, wo starke Spannungen in den Gesteinsschichten aufgebaut wurden. Noch nach über einem Jahr konnten Beben mit einer Stärke von über 8 auftreten!

Mehr zu Erdbeben:

Große Erdbeben (roter Faden)
Erdbeben-Messung (roter Faden)
Wie die Stärke von Beben angegeben wird (roter Faden)

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Konservative Plattengrenzen
(Transformplattengrenzen)

Platten gleiten aneinander vorbei: Transformstörungen

Große Erdbebengefahr durch Verhaken der Platten, keine Vernichtung von Platten, keine Neubildung (Bsp.: MOR, San Andreas Graben in Kalifornien)

(übersetzt nach This dynamic earth/USGS)

Transformverwerfungen an mittelozeanischen Rücken (grün), wie hier im Pazifik (USGS): der mittelozeanische Rücken wird um viele Kilometer seitlich versetzt fortgeführt

Transformstörungen in kontinentalen Platten, wie hier im Bereich des San Andreas Grabens (USGS)

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Hawaii

Maus auf das Bild für Informationen über das Alter der Inseln.
(übersetzt und ergänzt nach This dynamic earth/USGS)

Hawaii ist das Beispiel für einen Hot Spot in einer ozeanischen Platte. Die Platte bewegt sich, der Hot Spot ist ortsstabil. Es entstehen so immer neue Vulkaninseln, die verloschenen werden mit der Platte vom Hot Spot wegtransportiert.

STM nach Schick, Schmicke, u.a.

Lavastrom Mauna Loa, Hawaii (USGS)

Lavafontäne des Pu`u `O`o vent, Kilauea (USGS)

Ausbruch entlang eines Risses, Hawaii (USGS)

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Hangrutschung

Ausgelöst durch Beben, Hebungen der Vulkanhänge oder immer neue Asche- und Lavaschichten, können Hänge von Vulkanen teilweise ins Rutschen geraten.
Hangrutschungen können sich kilometerweit bergab bewegen, bevor sie zur Ruhe kommen. Nehmen sie auf ihrem Weg viel Wasser auf, so können sie sich in ein Lahar verwandeln und bis über 10 Kilometer weit talabwärts Zerstörungen anrichten.

Bei einer Hangrutschung entstehen hufeisenförmige Narben am Berg.
(Zeichnung von B. Myers/USGS)

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Yellowstone

(USGS)

Die Yellowstone Caldera ist der gewaltige, aber in der Landschaft kaum sichtbare Rest eines Supervulkan-Ausbruchs vor 70.000 Jahren. Unter dem Yellowstone-Gebiet wird ein Hot Spot vermutet.

Mächtige Tuffschichten sind ein Überbleibsel dieses Ausbruchs. (USGS)

Geysire, Schlammvulkane,... deuten auf eine weiterhin aktive Vulkantätigkeit hin. Zwischen 1923 und 1970 hoben sich Teile des Nationalparks um 72 Zentimeter.
Die jüngste Yellowstone Caldera (siehe unten) hat eine Größe von etwa 55 x 80 Kilometer.

In diesem Radarbild, das Veränderungen des Höhenprofils zwischen 1996 und 2000 zeigt, steht jede "Regenbogenlinie" für ein Höhenwachstum von 28,3 mm. Die drei ineinander liegenden Kreise zeigen also eine Aufwölbung (Aufdomung) um etwa 8 Zentimeter an. (USGS)

Die zwei größten Ausbrüche des Yellowstone Vulkansystems vor 2,1 und 1,3 Millionen Jahren waren die beiden größten Eruptionen auf dem nordamerikanischen Kontinent in den letzten Millionen Jahren. Der drittgrößte Ausbruch wurde von der Long Valley Caldera in Kalifornien verursacht. Das Mesa Falls Aschefeld wurde vom Yellostone Vulkansystem vor ca. 640.000 Jahren ausgeworfen.
(USGS )

Die Wahrscheinlichkeit für einen weiteren großen Ausbruch in den nächsten tausend Jahren ist trotz der bekannten Aktivität verschindend gering - sagen die Wissenschaftler. Das Problem bei dieser Aussage ist, dass bisher kein einziger Supervulkanausbruch wissenschaftlich untersucht werden konnte. Damit ist auch nicht klar, wie sich ein solcher Ausbruch exakt ankündigt und welche Warnsignale für eine baldige Eruption sprechen könnten.

Ende Februar 2006 geben Wissenschaftler des USGS (United States Geological Survey) bekannt, dass sich in den letzten 10 Jahren in etwa 15 Kilometer Tiefe Magma angesammelt hat und zwischen 1995 und 2002 etwa 60 Kilometer weit unter dem Nationalpark gewandert ist. Anzeichen für einen bevorstehenden Ausbruch gibt es aber nicht. Ein kleinerer Ausbruch die nächsten Jahrzehnte kann aber nicht ausgeschlossen werden.

Plattentektonik Pazifik- der rote Faden

Lahar

Eine schnell fließende Mischung aus Gesteinsbrocken, Asche und Wasser, die von den Hängen eines Vulkanes herunterfließt. Oft werden sie nach Vulkanausbrüchen durch starke Regenfälle oder bei Vulkanausbrüchen durch schmelzenden Schnee oder schmelzendes Eis ausgelöst.

Eine sehr kleine Lahar in Guatemala
(Photograph by J.N. Marso on 14 August 1989/USGS)

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Destruktive Plattengrenzen I

Stoßen zwei Platten aufeinander, wird meist eine unter die andere geschoben. Dabei wird meist eine der Platten durch Aufschmelzen in der Tiefe vernichtet. Ozeanische Platten werden immer unter kontinentale Platten subduziert, da ozeanische Platten dichter und damit schwerer sind als kontinentale.

rechts: rot eingezeichnet die Subduktionszone vor der Inselkette der Mariannen (gelbe Dreiecke: Vulkanismus) Mitte: Tiefe der Erbebenherde an den Marianneninseln (USGS)

In diesem Fall treffen zwei ozeanische Platten aufeinander:

(übersetzt nach This dynamic earth/USGS)

es bildet sich ein vulkanischer Inselbogen und an der Stelle der Subduktion eine Tiefseerinne (Bsp.: Indonesien, Japan)

Animation der Vorgänge: -> hier klicken!

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Vulkanaufbau - Vulkangefahren

Ins Bild auf die Begriffe klicken für weitere Hintergrundinformationen!
(übersetzt und leicht verändert nach USGS)

Vulkangefahren, Vulkanaufbau: Vulkanschlot, Pyroklastischer Strom, Lahar, Tephra, Hangrutschung, Magmakammer

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Plattentektonik Pazifik - ein Modell der weltweiten Plattenbewegung

Einfach oder ganz unten einfach dem roten Fadenn Pazifik folgen!
(übersetzt und leicht verändert aus This dynamic earth/USGS)

Basiswissen:
Die Platten: ca. 7 große und einige kleinere beständige kontinentale Platten „schwimmen“ auf einer zähflüssigen Schicht Gestein, dabei kann ein Kontinent auch aus mehreren Platten bestehen. Dazwischen liegen ozeanische Platten:
-> mehr Infos über die Bewegung der Platten in der Vergangenheit (von vor 225 Mio.Jahren bis heute)!
-> Animation (1 MB) zur Bewegung der Kontinente in der Vergangenheit (740 Mio. Jahre - heute)!
Die treibende Kraft:Umwälzströmungen im Bereich des oberen Mantels (bis etwa 700km Tiefe) -> mehr Infos!
Wie der oben abgebildete Kreislauf funktioniert: Heißes Material dringt an bestimmten Stellen (MOR) nach oben, schmilzt Teile der ozeanischen Kruste auf, lagert sich an sie an, wird seitlich verdriftet und kühlt ab. Die ozeanische Platte sinkt an einer anderen Stelle (Subduktionszonen) wieder ab, um dann erneut aufgeschmolzen zu werden. Ozeane wachsen dabei und vergehen nach Jahrmillionen wieder.

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden

Pyroklastischer Strom

Ein pyroklastischer Strom ist eine vom Vulkan abgehende Lawine aus heißer Asche, Gasen, Gesteinsstücken, die mit Geschwindigkeiten von über 100 km/h und Temperaturen von bis über 500°C alles verbrennt und tötet, was ihr in den Weg kommt.

Pyroklastischer Strom am Mayon-Vulkan auf den Philippinen
(Photograph by C. Newhall on 15 September 1984/USGS)

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Vulkanschlot

Der Pico de Teide (rechtsim Hintergrund) entstand im Zentrum der Caldera.
In der Mitte des Bildes ragt die Magmafüllung eines ehemaligen Vulkanschlots in die Luft.
Der Vulkankegel selbst ist durch Verwitterung längst zerstört.
(STM/geolinde.musin.de)

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Tephra - alle was an festem Material ausgestoßen wird

Tephra ist ein Sammelbegriff für alle festen Materialien, Lava, Asche oder Gestein, die ein Vulkan ausstößt.

Dieses unterschieldich feine Material wurde vom Mt. St. Helens 1980 ausgeworfen.
(Photograph by D. Wieprecht/USGS)

Ein feiner Ascheregen 1991 in der Umgebung des Vulkans Pinatubo auf den Philippinen
( Photograph by E. Wolfe on 24 June 1991/USGS)

Auch Lavabomben wie hier im Vordergrund, die ihre Form erhalten, während glutflüssige Lavafetzen durch die Luft geschleudert werden, gehören zur Tephra.
(STM/www.geolinde.musin.de)

Zwei Arten von Vulkanen

Schildvulkan

Mauna Loa, Hawaii

Die Lava wird aus einem Vulkanschlot gefördert und ist sehr dünnflüssig. Es können große Magmamengen gefördert werden, explosive Ausbrüche sind aber unwahrscheinlich.
Dünnflüssige Lava tritt am häufigsten innerhalb von ozeanischen Platten aus. Sie ist aus wenigen verschiedenen Bestandteilen zusammengesetzt. Eingeschlossene gelöste Gase, die beim Druckverlust beim Aufstieg im Vulkanschlot frei werden, können leicht entweichen.

Stratovulkan

Mount St.Helens

Stratovulkane oder Schichtvulkane entstehen aus Schichten von Asche- und Eruptionsmaterial und Lava. Sie besitzen die typische Vulkanform und können durch ihre zähflüssige Magma hochexplosiv ausbrechen. Diesen Vulkantyp gibt es am häufigsten auf der Erde. Er tritt überall dort auf, wo an Subduktionszonen Platten abtauchen und aufschmelzen. Bei diesem Vorgang entsteht aus sehr verschiedenen Materialien zusammengesetzte Magma mit einem hohen Wasseranteil.

Plattentektonik Pazifik - der rote Faden