Ein internationales Forschungsteam, geleitet von Manuel Asnar am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, hat einen bedeutenden Fortschritt in der Untersuchung seismischer Wellengeschwindigkeiten erzielt. In einem spezialisierten Hochdrucklabor wurde ein neuartiger Versuchsaufbau entwickelt, der es ermöglichte, die seismischen Geschwindigkeiten in einem kleinen Sandstein-Zylinder von nur wenigen Zentimetern Durchmesser präzise zu messen. Die Ergebnisse dieser Studien liefern neue Erkenntnisse darüber, warum die seismischen Geschwindigkeiten unmittelbar nach einem Erdbeben abnehmen und anschließend wieder steigen. Diese Erkenntnisse haben auch wichtige Implikationen für die Stabilität von Bauwerken.
Gesteine sind nicht statisch. Sie weisen bei unterschiedlichen Belastungen variable mechanische Eigenschaften auf, was bedeutet, dass sie auf Deformationen mit einem Verlust an Festigkeit reagieren. Wenn ein Material Schaden erleidet, kann es weniger Widerstand gegen Belastungen aufbringen, die durch Schwerkraft oder tektonische Spannungen verursacht werden. Solche Veränderungen sind entscheidend, da sie das Risiko von Materialversagen erhöhen, etwa bei Hangrutschungen oder Erdbeben. Diese dynamischen Eigenschaften werden häufig in heterogenen und granularen Materialien wie Gestein, Beton und Sedimenten beobachtet und sind daher von großer Bedeutung für die Geotechnik und die Bauwerksstabilität.
In der Vergangenheit wurden diese Effekte mithilfe akustischer Methoden im Labor untersucht. Die Entwicklung der seismischen Interferometrie hat es ermöglicht, ähnliche Beobachtungen auch im Freien durch die Analyse seismischen Rauschens zu machen. Ein bekanntes Phänomen ist die plötzliche Abnahme der seismischen Geschwindigkeiten im Untergrund nach einem Erdbeben, gefolgt von einem langsamen Anstieg, der sich über Jahre hinziehen kann. Trotz umfangreicher Studien sind die physikalischen Ursachen dieser Phänomene bislang unklar geblieben. Ein weit verbreitetes Verständnis besagt, dass der Unterschied zwischen den harten Körnern und den weichen Kornkontaktflächen zur Konzentration von Deformationen an den Korngrenzen führt und somit für die beobachteten Effekte verantwortlich ist.
Das Team um Manuel Asnar hat nun durch präzise Laboruntersuchungen im Hochdrucklabor des GFZ einen neuen Ansatz verfolgt. In ihrem Versuchsaufbau konnten die Forscher die Wellengeschwindigkeiten in einem Sandstein-Zylinder unter variablen Spannungen messen. Es zeigte sich, dass die statischen Spannungswirkungen die seismischen Wellen, die entlang der Zylinderachse verlaufen, deutlich beeinflussten, während die Wellen, die quer dazu liefen, nur geringfügig betroffen waren. Im Gegensatz dazu waren die transienten Effekte – also die Veränderungen der Wellengeschwindigkeit während der Belastungsänderungen und die langsame „Heilung“ danach – in allen Richtungen ähnlich ausgeprägt.
Diese Erkenntnisse sind bahnbrechend, da sie erstmals belegen, dass die transienten Effekte nicht lediglich auf die Kompression von Kornkontakten zurückzuführen sind. Vielmehr sind sie das Resultat von Verschiebungen an den Kontaktflächen, die sowohl bei Belastung als auch bei Entlastung geschehen, was als Scherbewegung bezeichnet wird. Der Einfluss von Reibung an diesen Kontaktpunkten wurde bereits als mögliche Erklärung für die transienten Geschwindigkeitsänderungen diskutiert, jedoch liefert die vorliegende Untersuchung zur Anisotropie – der richtungsabhängigen Reaktion der Materialien – nun einen klaren Beleg für diese Theorie.
Auf Basis dieser Ergebnisse können nun neue Modelle entwickelt werden, die die zeitlichen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Materialien besser erklären und vorhersagen. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für das Verständnis geophysikalischer Prozesse von Bedeutung, sondern könnten auch weitreichende Auswirkungen auf die Bauindustrie haben, insbesondere in Bezug auf die Entwicklung stabilerer und sicherer Bauweisen in erdbebengefährdeten Regionen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschungsergebnisse von Asnar und seinem Team einen wichtigen Schritt zur Klärung der Ursachen für zeitweilige Änderungen der seismischen Geschwindigkeiten darstellen. Die Untersuchung der Reibung an Korngrenzen könnte entscheidend dazu beitragen, das Verhalten von Materialien unter Belastung besser zu verstehen und somit zukünftige Risiken für Bauwerke und die Öffentlichkeit zu minimieren.
