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Erdbeben und Reibungsgesetze Christopher H. Scholz: Earthqaukes and friction laws (Nature, January 1998)

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1 Erdbeben und Reibungsgesetze Christopher H. Scholz: Earthqaukes and friction laws (Nature, January 1998)

2 Gliederung 1.Konstitutives Reibungsgesetz 2.Reibungsstabilitätsregime 3.Seismische Kopplung 4.Stadien im seismischen Zyklus 5.Ausstehende Probleme in Erdbebenmechanismen

3 Modell Erdbeben = eher Reibungs-, als reines Sprödbruchphänomen Erdbeben = eher Reibungs-, als reines Sprödbruchphänomen Erdbeben entstehen selten als Folge neugebildeter Bruchflächen - Erdbeben entstehen selten als Folge neugebildeter Bruchflächen - eher durch Abrutschen einer präexistenten Störung eher durch Abrutschen einer präexistenten Störung Byerlee und Brace (1966): Stick-Slip Instabilität Slip = Erdbeben Stick = interseismische Periode zunehmender elastischer Spannung Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme Konstitutives Reibungsgesetz

4 Haftreibung > Gleitreibung Haftreibung > Gleitreibung μ s μ d μ s μ d Beim Gleiten fällt Reibungswiderstand zu niedrigerem Wert ab Beim Gleiten fällt Reibungswiderstand zu niedrigerem Wert ab μ s μ d μ s μ d Das Gleiten setzt ein, wenn das Verhältnis von Scher- zu Normalspannung den Haftreibungskoeffizienten μ s erreicht! Das Gleiten setzt ein, wenn das Verhältnis von Scher- zu Normalspannung den Haftreibungskoeffizienten μ s erreicht! Reibungsmechanismen: Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

5 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

6 Feder- 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 cReibungsstabilitätsregime Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

7 Reibungsstabilität ist abhängig von zwei Parametern: L und (a-b) Reibungsstabilität ist abhängig von zwei Parametern: L und (a-b) 2. metastabiles Feld:- Erdbeben können auftreten 2. metastabiles Feld: - Erdbeben können auftreten dyn. Spannung indiziert dyn. Spannung indiziert Geschwindigkeitssprung ΔV Geschwindigkeitssprung ΔV 3. instabiles Feld:- Erdbeben können auftreten 3. instabiles Feld: - Erdbeben können auftreten Stabiles Regime: (a – b) >= 0 1. Stabiles Feld Keine Erdbeben treten auf – Keine Erdbeben treten auf – Ausbreitung wird sofort gestoppt Ausbreitung wird sofort gestoppt (Spannungsabfall) (Spannungsabfall) Instabiles Regime: (a – b) < 0 (a – b) < 0 Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

8 Reibungsparam eter (a-b) Temperaturabhängigkeit: 300°C: - Einsatz der Kristallplastizität im Quarz (duktilste im Granit) (duktilste im Granit) - Übergang: spröde – duktil (Kristallplastizität) - Übergang: spröde – duktil (Kristallplastizität) Resultat: Keine Erdbeben in Tiefen unterhalb von Temp. von 300°C Temp. von 300°C Druckabhängigkeit: (a-b) sinkt mit steigendem Druck und Temp. – mit zunehmender Lithifizierung des Materials Resultat: Störungen haben eventuell ein stabiles Regime nahe Oberfläche, da dort unkonsolidiertes Mat. nahe Oberfläche, da dort unkonsolidiertes Mat. ! Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

9 Synoptisches Stabilitätsmodell 2 Arten von tektonischen Erdbeben: größten Erdbeben: Subduktionszonen Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

10 Seismische Kopplung lineares Maß für Erdbebengröße: lineares Maß für Erdbebengröße: seismisches Moment M 0 = G. u. A M 0 = G. u. A G … Schermodul, A … Rupturfläche, u … gemittelte Gleitdistanz G … Schermodul, A … Rupturfläche, u … gemittelte Gleitdistanz M 0 = G. v. A Moment- Freisetzungsrate: M 0 = G. v. A Seismische Kopplungskoeffizient: Seismische Kopplungskoeffizient: Summation aller Erdbebenversätze. Totale Rate des Versatzes (aus Plattentekt. Bewegung). = Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

11 (Kopplungskoeffizient) als Stabilitätsmaß (Kopplungskoeffizient) als Stabilitätsmaß = 1 Störung völlig im instabilen Feld = 1 Störung völlig im instabilen Feld 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 Feld stabilen Feld Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

12 Entkopplung Abbau von Spannungen muss nicht immer seismisch geschehen ( = 0) Abbau von Spannungen muss nicht immer seismisch geschehen ( = 0) San Andreas Störung: 170 Km lange Kriechsequenz Ursachen: ungewöhnlich hoher Porendruck ungewöhnlich hoher Porendruck seismische Entkopplung seismische Entkopplung effektive Normalspannung = Normalspannung - Porendruck effektive Normalspannung = Normalspannung - Porendruck Subduktionszonen teilweise entkoppelt Subduktionszonen teilweise entkoppelt Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

13 Stadien im seismischen Zyklus Seismische gekoppelte Verwerfungen: Seismische gekoppelte Verwerfungen: Seismische Ruhe Nachbeben Seismische Ruhe Nachbeben Vorbebensequenz Ruhephase Vorbebensequenz Ruhephase Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

14 Generalisierung des Instabilitätszustandes 1-D Feder- Block Modell wird für 3- D Modell verallgemeinert: 1-D Feder- Block Modell wird für 3- D Modell verallgemeinert: Instabilität tritt auf, wenn Gleitfläche (!) L eine kritische Größe erreicht (= Nukleationslänge) ABER: physik. Bedeutung & Skalierung von L c ist nicht bekannt ! physik. Bedeutung & Skalierung von L c ist nicht bekannt ! Laborwerte: ~ 10 μm Laborwerte: ~ 10 μm Beobachtungen von Vorbeben gehen von einer Nukleationslänge in m Beobachtungen von Vorbeben gehen von einer Nukleationslänge in m Dimension aus Dimension aus Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

15 Ausstehende Probleme in Erdbebenmechanismen Es existieren viele weitere, bisher nicht näher erforschte, Details Es existieren viele weitere, bisher nicht näher erforschte, Details zu Erdbebenmechanismen Was verursacht die Komplexität von Erdbeben ? Was verursacht die Komplexität von Erdbeben ? Erdbeben folgen einem log. Verteilungsgesetz = Kennzeichen von Systemen selbstorganisierter Kritizität Reibungsgesetz immer noch zu vereinfacht: slow earthquakes slow earthquakes = nicht erwartet nach heutigem Stand des = nicht erwartet nach heutigem Stand des Reibungsgesetzes Reibungsgesetzes Moment release rates sehr gering Moment release rates sehr gering können in Subduktionszonen unerwartet können in Subduktionszonen unerwartet große Tsunamis generieren große Tsunamis generieren ! Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

16 Ende- Danke für Eure Aufmerksamkeit


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