Bibliothek // Lexikon der Geothermie // H

Herdmechanismus

Der Herdmechanismus (auch Herdprozess oder Herdvorgang, engl. focal mechanism) beschreibt den Ablauf des Geschehens, das einem Erdbeben zu Grunde liegt. Der Beginn des Herdvorgangs wird als Herdzeit (engl.: origin time) bezeichnet. Der Erdbebenherd befindet sich im Erdinneren und umfasst die gesamte involvierte Herdfläche, während das Hypozentrum den Anfangspunkt des Bruchvorganges (also im Moment der Herdzeit) beschreibt und das Epizentrum den Punkt der Erdoberfläche bezeichnet, der sich senkrecht darüber befindet.

Was an der Herdfläche geschieht, wurde erstmals im frühen 20. Jahrhundert durch die „elastic rebound theory“ (dt: Theorie des elastischen Rückschlags) des US-amerikanischen Geologen Harry Fielding Reid beschrieben, die in wesentlichen Teilen noch heute gilt: Zwei Krustenblöcke (das können relativ kleine Bruchschollen oder auch ganze Lithosphärenplatten sein) bewegen sich gegeneinander. Dabei wird im Kontaktbereich der beiden Blöcke mechanische Spannung aufgebaut.

Übersteigt die aufgebaute Scherspannung die Scherfestigkeit des Gesteins oder die Reibungskraft an einer vorhandenen Störung, kommt es zum Bruch bzw. zur Verschiebung, der den Herdvorgang an sich darstellt. Dabei entlädt sich die aufgebaute mechanische Spannung, indem sich die Gesteinspartien unmittelbar an der Bruchfläche, der Herdfläche, plötzlich gegeneinander bewegen und damit eine Verwerfung erzeugen. Die Strecke der Verschiebung gegeneinander wird Versatz genannt. Durch diese plötzliche Bewegung werden seismische Wellen ausgelöst, die sich radial von der Bruchfläche ausgehend ausbreiten. Ein Erdbebenherd kann nur in der Erdkruste liegen, da nur hier das Gestein spröde genug ist, dass es brechen kann.

Die Ausbreitung der Erdbebenwellen wird dabei von Orientierung der Herdfläche im Raum (Herdflächenlösung), der Dauer und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Bruches beeinflusst. Dieser Prozess und dessen zeitlicher Verlauf stellen den Herdvorgang dar. Werden die von einem Erdbebenherd ausgehenden (abgestrahlten) Wellen an ausreichend vielen Messstationen in möglichst vielen verschiedenen Azimuten aufgezeichnet, kann aus der Wellenform die Abstrahlcharakteristik des Bebens bestimmt werden. Hierzu werden üblicherweise die Ersteinsätze der P-Wellen verwendet. Die Auswertung der seismischen Daten ergibt die sogenannte Herdflächenlösung.

Häufig erfolgt der Bruchvorgang bei einem Beben nicht 'in einem Zug' sondern die Bewegung wird in eine Art 'stop and go' Prozess aufgeteilt. Hierzu wurde das 'sledge and spring' (Schlitten und Feder) Modell entwickelt, wobei ein Block mit Hilfe einer Feder über einen rauhen Untergrund gezogen wird. Er wird dann abhängig von der (konstanten) Zuggeschwindigkeit, der Masse des Blocks, der Rauhigkeit des Untergrunds und den Federeigenschaften eine 'stop and go' Bewegung machen. Dies kann zu vielen kleinen oder zu weniger aber dann größeren 'Beben' führen.

Bedeutung in der Geothermie

In der Geothermie wird die sogenannten Microseismizität routinemäßg genutzt, um Vorgänge im Reservoir zu erfassen (mikroseismisches Monitoring). Hierbei spielen Aussagen über die Herdmechanismen eine bedeutende Rolle, denn sie stehen in einem engen Zusammenhang insbesondere mit Änderungen des Spannungsfeldes im Reservoir und damit mit Änderungen des Kluftinventars und der Wasserwegsamkeit.

Literatur

Cooper, P. and Taylor, B.: Seismicity and focal mechanisms at the New Britain Trench related to deformation of the lithosphere . In: Technophysics Nummer 164 (1989), S. 25-40

Cornet, F.H., and P. Julien: Stress determination from hydraulic test data and focal mechanisms of induced seismicity. In: Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Nummer 26 (1993), S. 235

Deichmann, N., Kraft, T., Evans, K.: Identification of faults activated during the stimulation of the Basel geothermal project from cluster analysis and focal mechanisms of the larger magnitude events. In: Geothermics Nummer () (October 2014), S. 84-97

Homuth, B., G. Rümpker, H. Deckert, M. Kracht : Seismicity of the northern Upper Rhine Graben – Constraints on the present-day stress field from focal mechanisms. In: Tectonophysics Nummer 632:8-20, dx.doi.org/10.1016/j.tecto.2014.05.037 (2014)

Johnson, T. and Molnar, P.: Focal mechanisms and plate tectonics of the Southwest Pacific . In: J. Geophys. Res. Nummer 77 (1972), S. 5000-5032

Kraft, T., Deichmann, N.: High-precision relocation and focal mechanism of the injection-induced seismicity at the Basel EGS. In: Geothermics Nummer () (October 2014), S. 59-73

Plenefisch, T., & Bonjer, K.: The stress field in the Rhine Graben area inferred from earthquake focal mechanisms and estimation of frictional parameters. In: Tectonophysics Nummer 275 (1-3) (1997), S. 71-97