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

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

Konstitutives Reibungsgesetz Modell Erdbeben = eher Reibungs- , als reines Sprödbruchphänomen Erdbeben entstehen selten als Folge neugebildeter Bruchflächen - 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

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

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

Reibungsstabilitätsregime Feder- Block- Modell K … Federhärte … effektive Normalspannung τ … Scherspannung … kritischer Wert für effektive Normalspannung c > Gleiten ist instabil c < Gleiten ist stabil wird instabil, wenn es einem Geschwindigkeitssprung ΔV unterliegt c Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

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

Reibungsparameter (a-b) Temperaturabhängigkeit: 300°C: - Einsatz der Kristallplastizität im Quarz (duktilste im Granit) - Übergang: spröde – duktil (Kristallplastizität) Resultat: Keine Erdbeben in Tiefen unterhalb von 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. Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

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

Seismische Kopplung Seismische Kopplungskoeffizient:  = lineares Maß für Erdbebengröße: seismisches Moment M0 = G . u . A G … Schermodul, A … Rupturfläche, u … gemittelte Gleitdistanz Moment- Freisetzungsrate: M0 = G . v . A Seismische Kopplungskoeffizient: Summation aller Erdbebenversätze . Totale Rate des Versatzes (aus Plattentekt. Bewegung) .  = Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

 (Kopplungskoeffizient) als Stabilitätsmaß  = 1 Störung völlig im instabilen Feld krustalen Störungen:  ~ 1 (volle seismische Kopplung – Spannungsabbau durch Erdbeben)  = 0 Störung total im stabilen Feld Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

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

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

Generalisierung des Instabilitätszustandes 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 Lc ist nicht bekannt ! Laborwerte: ~ 10 μm Beobachtungen von Vorbeben gehen von einer Nukleationslänge in m Dimension aus Reibungsgesetz Stabilitätsregime seism. Kopplung Zyklen Probleme

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

Danke für Eure Aufmerksamkeit Ende - Danke für Eure Aufmerksamkeit