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Seismische Wellen

Ausbreitungsarten der seismischen Wellen. Quelle: USGS

Seismische Wellen beschreiben eine Form der Ausbreitung von Bewegungen und damit Bewegungsenergie in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen.

Physikalisch wird diese Ausbreitung durch die allgemeine Bewegungsgleichung beschrieben, die sich in einen niederfrequenten Anteil (Diffusionsgleicchung) und einen hochfrequenten Anteil (Wellengleichung) zerlegen lässt. Die Wellengleichung wiederum ist entweder eine elastische Wellengleichung (für Festkörper) oder eine akustische Wellengleichung (für Flüssigkeiten und Gase).

Im (homogen isotropen) Vollraum (unbegrenzten Raum) breiten sich Wellen (Raumwellen, body waves) radial (kugelförmig) aus. Wegen des fehlenden Scherwiderstandes sind dies in Flüssigkeiten und Gasen nur Kompressionswellen (Longitudinalwellen, Primärwellen, P-Wellen), in Festkörpern zusätzlich auch Scherwellen (Sekundärwellen, S-Wellen).

Im Halbraum (durch eine Oberfläche begrenzten Raum), entsehen neben den Raumwellen auch besondere an die Oberfläche gebundene Wellen, die Oberflächenwellen (surface waves). Je nach Schwingungsrichtung sind dies Rayleigh- oder Lovewellen. In geschichteten Räumen existieren an den Schichtgrenzen noch andere Wellen wie Scholte-Wellen, Flözwellen, Krey-Wellen uvm. Oberflächenwellen und genereller Grenzflächenwellen werden an diesen Grenzflächen geführt (geführte Wellen), breiten sich also zweidimensional aus im Gegensatz zu Raumwellen, die sich dreidimensional ausbreiten. Dies führt zu einer kleineren (geometrischen) Amplitudenabnahme mit der Entfernug (Raumwellen: 1/r, Oberflächenwellen: 1/√r).

Wellen werden generell durch Wellenquellen ausgelöst oder gehen von solchen aus. Diese können dem Charakter nach Explosionsquellen sein (bei denen nur P-Wellen abgestrahlt werden) oder Scherwellenquellen (wie Erdbeben). An einer Oberfläche können Wellen durch eine Kraft auf diese Oberfläche ausgelöst werden ('Schlag auf den Halbraum'). Der in der Explorationsseismik übliche Vibrator ist eine derartige Wellenquelle.

Auf ihrem Weg durch das Erdinnere können diese Wellen gebrochen, reflektiert, gebeugt, gestreut, absorbiert und umgewandelt (Konversion von P nach S und umgekehrt) werden.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der seismischen Wellen ist abhängig vom Wellentyp und vom Material, das die Wellen durchlaufen. Oberflächenwellen sind darüberhinaus dispersiv, ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist also frequenzabhängig. Dies führt dazu, dass sich, an der Quelle noch impulsförmige, Oberflächenwellen mit zunehmender Entfernung zu lang andauernden 'Wellenzügen' entwickeln, was wiederum teilweise die zerstörerische Wirkung von Erdbeben-Oberflächenwellen begründet.