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11.3 – Seismische Tomographie und Geodäsie
Tausende seismischer Stationen registrieren weltweit die Wellen von Erdbeben. Die Erdbebenwellen sammeln auf ihrem Weg zwischen Quelle und Empfänger Information über den Untergrund. Diese Informationen lassen sich mit der geophysikalischen Methode der Tomographie entziffern.
Die seismische Tomographie nutzt neben Erdbeben auch künstliche Quellen, zum Beispiel Explosionen oder Lastwagen mit Rüttelplatten, und entwickelt sich momentan rasant weiter. Die Tomographie hat ein breites Anwendungsspektrum. Auf der großen Skala bildet sie die Struktur und Dynamik der gesamten Erde ab: Sie macht abtauchende Platten an Subduktionszonen sichtbar, zum Beispiel in Japan und Indonesien. Sie durchleuchtet große Scherzonen, zum Beispiel die San Andreas-Verwerfung, die Transformstörung am Toten Meer oder die Nord-Anatolische Verwerfung. Aufströmendes Mantelgestein, so genannte Plumes wie unter Hawaii, lassen sich ebenfalls mit der Tomographie erforschen. Auf der mittleren Skala sind Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche und die Überwachung von Nuklear-Tests wichtige Anwendungsgebiete der seismischen Tomographie. Am kleinskaligen Ende steht der oberflächennahe Bereich der Erde. Diese Schnittstelle zwischen Geo-, Bio- und Atmosphäre beherbergt alle wesentlichen Ressourcen für das Leben auf der Erde. Hier ereignen sich aber auch flache Erdbeben mit dem größten zerstörerischen Potential. Eine zentrale Zukunftsaufgabe der Geowissenschaften besteht darin, diese Strukturen, ihre Eigenschaften und die vorherrschenden Prozesse kontinuierlich zu erforschen. Der Tomographie kommt als bildgebendes Verfahren die zentrale Rolle dabei zu.
Tomographie des Erdmantels. Anomalien der P-Wellen-Geschwindigkeit im oberen Erdmantel unter Europa und dem Mittelmeer. Die Farben zeigen an, wie stark die Geschwindigkeit von einem Referenzmodell abweicht. Auf dem Bild ist ein horizontaler Schnitt in hundert Kilometern Tiefe zu sehen. Die Alpenwurzel und die hellenische Subduktionszone im östlichen Mittelmeer erscheinen blau, weil das Gestein dort kalt ist und sich die seismischen Wellen schneller ausbreiten (Quelle: Koulakov I., M.K. Kaban, M. Tesauro, and S. Cloetingh, 2009, P and S velocity anomalies in the upper mantle beneath Europe from tomographic inversion of ISC data. Geophysical Journal International 179, 1, 345-366. doi: 10.1111/j.1365
-246X.2009.04279.x)
Tomographische Methoden haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten rasant entwickelt. Die derzeit verfügbaren Methoden reichen aber noch nicht aus, um die Erdkruste kontinuierlich und hochauflösend zu beobachten. Für spezielle Anwendungen, etwa um Lagerstätten zu erkunden und zu überwachen, sind sie noch zu kostenintensiv. Weiterhin lassen sich Fehlergrenzen noch nicht hinreichend genau bestimmen. Es besteht daher dringender Bedarf, tomographische Methoden auf unterschiedlichen räumlichen Skalen weiterzuentwickeln. Es ist außerdem nötig, die Tomographie mit anderen geophysikalischen Methoden wie Reflexionsseismik, Magnetotellurik, Magnetik, Elektrik und Gravimetrie zu kombinieren.
Oberflächennahe Tomographie. Oberflächen-Geologie, Tomographie und geologische Interpretation entlang eines hundert Kilometer langen Profils über der Araba-Scherzone (AF) im Mittleren Osten. (a) Geologie mit seismischem Profil (rote Linie) und Scherzonen (Sa’ad Nafha, Ramon, Barak, Zofar, Araba, Al Quwayra). (b) Modell der P-Wellen-Geschwindigkeit bis in vier Kilometer Tiefe. Vertikale Vergrößerung 3.6. (c) Geologischer Querschnitt (Quelle: nach Trond Ryberg et al. (2007): The shallow velocity structure across the Dead Sea Transform fault, Arava Valley, from seismic data. Journal of Geophysical Research, 112, B08307. doi:10.1029/2006JB004563)
Um die Tomographie weiterzuentwickeln, sind folgende Aufgaben für die Zukunft erforderlich:
- universelle Test-Standards. Es sollten universelle Test-Standards entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit unterschiedlicher Algorithmen zu vergleichen.
- Wellenform-Tomographie. Die meistgenutzten Tomographiemethoden verwenden lediglich die Laufzeit der seismischen Wellen, um ein Bild des Untergrundes zu erzeugen. Das schränkt die Auflösung ein. Daher ist es nötig, Methoden zu entwickeln, die das gesamte Frequenzspektrum und auch die Information, die in der Wellenform enthalten ist, nutzen.
- Anisotropie-Tomographie. In vielen Gesteinen hängt die Geschwindigkeit seismischer Wellen von der Richtung der Wellenausbreitung ab, das heißt, Anisotropie spielt eine wichtige Rolle. Wenn dieser Effekt nicht berücksichtigt wird, entstehen falsche Bilder des Untergrunds. Die Anisotropie lässt sich aber auch nutzen, um Schichtungen, Verformungen, oder Fließprozesse in der Erdkruste zu charakterisieren.
- Time-lapse Tomographie. Mit der Tomographie lassen sich Veränderungen überwachen, die zum Beispiel in Lagerstätten oder bei Erdbeben stattfinden. Wiederholungsmessungen können Hinweise darauf geben, ob sich Fluide im Untergrund bewegen, ob sich Spannungen ändern oder wie sich eine Verwerfung zeitlich entwickelt.
- Kombination mit anderen Methoden. Methoden wie Magnetotellurik, Geoelektrik oder Gravimetrie bilden andere physikalische Eigenschaften des Erdinneren ab als die Tomographie, zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit und die Dichte. Sie ergänzen daher die seismische Tomographie. Werden all diese Parameter intelligent und mathematisch sauber verknüpft, lässt sich der Zustand des Untergrunds besser bestimmen.