Erdbeben und Reibungsgesetze

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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 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

4 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

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 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

7 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

8 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

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

10 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

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

12 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

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

14 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

15 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

16 Danke für Eure Aufmerksamkeit
Ende - Danke für Eure Aufmerksamkeit