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Lichtpulse in drei Kilometer tiefem Bohrloch könnten Erdbebengefahren zeigen
Ein drei Kilometer tiefes Glasfaserkabel hat Forschern erlaubt, die Dämpfung seismischer Wellen und die Eigenschaften kleinster Erdbeben ungewöhnlich fein aufzulösen. Die Messungen stammen aus einem Geothermiegebiet in Utah und erfassen rund 1.800 Mikrobeben. Die Methode könnte helfen, Messfehler bei sehr kleinen Beben zu verringern, verlangt aber eine sorgfältige Korrektur der Kabelantwort.
Palisades (U.S.A.). Kleine Erdbeben treten häufig auf und könnten deshalb viel über Bruchvorgänge im Untergrund verraten. Doch gerade ihre hochfrequenten Wellen verlieren auf dem Weg zur Erdoberfläche schnell Energie. Dadurch lässt sich nur schwer trennen, welche Eigenschaften vom Beben selbst stammen und welche durch die Ausbreitung im Gestein entstehen.
Eine Möglichkeit bietet die verteilte akustische Sensorik, kurz DAS. Dabei wird ein Glasfaserkabel selbst zum dichten seismischen Messnetz. Lichtpulse laufen durch die Faser, und winzige Änderungen des zurückgestreuten Lichts zeigen, wo das Kabel gedehnt oder gestaucht wird. So lassen sich Erschütterungen entlang vieler dicht benachbarter Messpunkte registrieren.
Forscher des Lamont-Doherty Earth Observatory (LDEO) um Hilary Chang haben nun Daten aus dem Geothermiegebiet Cape Modern nahe Milford im US-Bundesstaat Utah ausgewertet. Dort liegt ein vertikales Bohrloch von rund 3.000 Metern Tiefe, in dem ein Glasfaserkabel mit 1.600 Messkanälen im Abstand von etwa zwei Metern installiert ist. Während einer geothermischen Stimulation zeichnete das System Tausende Mikrobeben auf.
Für die Auswertung konzentrierte sich das Team auf rund 1.800 Ereignisse mit Momentmagnituden zwischen 0 und 1,7. Die Forscher verglichen die Spektren der P-Wellen entlang der Tiefe und bestimmten daraus den Qualitätsfaktor Q. Ein kleiner Q-Wert bedeutet starke Dämpfung. In den obersten 400 Metern lag Q unter 30, danach nahm die Dämpfung mit zunehmender Tiefe im Allgemeinen ab.
Nach Angaben der Autoren ist dies die erste hochaufgelöste, direkt aus seismischen Beobachtungen abgeleitete Q-Struktur für die oberen 2.500 Meter der Erdkruste. Der Tiefentrend war stärker ausgeprägt als Unterschiede zwischen Gesteinstypen. Das bestätigt frühere Bohrlochmessungen, die ebenfalls besonders starke Dämpfung nahe der Oberfläche gefunden hatten.
Mit dem Dämpfungsprofil korrigierte das Team anschließend die Spektren der Mikrobeben. Daraus bestimmten die Forscher unter anderem Eckfrequenz, Bruchradius, Schlupf und den spektralen Spannungsabfall. Letzterer beschreibt, wie stark die Scherspannung beim Bruch abnimmt, und ist eine wichtige Größe für die Physik von Erdbebenquellen.
Die meisten ermittelten Spannungsabfälle lagen zwischen etwa 5 und 130 Megapascal, mit der höchsten Datendichte um rund 37 Megapascal. Innerhalb des untersuchten Bereichs von Magnitude 0 bis 1,7 zeigte sich keine klare Abhängigkeit des Spannungsabfalls von der Magnitude. Die Streuung könnte auf Unterschiede zwischen Störungen und Bruchprozessen hindeuten, kann aber teilweise auch aus Modell- und Messunsicherheiten stammen.
Gerade bei den kleinsten Ereignissen bleibt die Auswertung schwierig. Hohe Frequenzen können außerhalb des zuverlässig messbaren Bereichs liegen, wodurch besonders kleine Spannungsabfälle nicht immer vollständig erfasst werden. Die Autoren betonen deshalb, dass sich aus der begrenzten Magnitudenspanne keine allgemeine Aussage über alle Erdbebengrößen ableiten lässt.
Ein weiterer Unsicherheitsfaktor ist das Glasfaserkabel selbst. DAS reagiert besonders empfindlich auf Wellenbewegungen, die günstig zur Kabelrichtung ausgerichtet sind. Zusätzlich mittelt das System die Dehnung über eine sogenannte Messlänge. Eine größere Messlänge verbessert zwar das Signal-Rausch-Verhältnis, schwächt aber hohe Frequenzen stärker ab.