Geografie-PHZH | 3: Geologie (Endogene Prozesse)

1902 leitete der italienische Seismologe und Vulkanologe Giuseppe Mercalli (1850-1914) die 12-stufige Mercalli-Skala ab. Diese Skala wurde verschiedentlich modifiziert, wobei heute in Europa die Intensitätsskala EMS-98 (Europäische makroseismische Skala 1998) offiziell gültig ist. Die EMS-98 erfasst die Auswirkungen eines Erdbebens. Damit lassen sich historische Erdbeben aufgrund von Aufzeichnungen einordnen und für die Abschätzung des Erdbebenrisikos in einer Region heranziehen.

Diese Skala macht aber keine Angaben zur freigesetzten Energie.

1935 führte der amerikanische Seismologe Charles Francis Richter (1900-1985) die Magnitude ein, ein objektives Mass für die am Erdbebenherd freigesetzte Energie. Zur Berechnung der Magnitude benötigt man zwei Werte aus dem Seismogramm, und zwar die Grösse der maximalen Bodenbewegung (maximale Amplitude) sowie die Entfernung der seismischen Station zum Erdbebenherd.

Die Magnitude wird mit Werten zwischen 0 und 9,5 (dem bisher stärksten gemessenen Erdbeben in Chile, 22. Mai 1960) auf der weltweit verwendeten Richterskala angegeben. Diese Skala ist theoretisch nach oben unbegrenzt, aus wissenschaftlicher Sicht sind jedoch Erdbeben mit einer Magnitude grösser als 10 kaum vorstellbar.

Die Richterskala besitzt eine logarithmische Einteilung; das heisst, dass jede Erhöhung um eine Einheit eine Verzehnfachung der Bodenbewegungen bedeutet.

Vorteile:

Der Vorteil der Richterskala ist, dass sie mit der Magnitude eine objektive Beurteilung der Erdbebenstärke ermöglicht und jede seismische Station der Welt diesen einen objektiven Wert (Magnitude) für ein Erdbeben berechnen kann. Zudem besteht zwischen der Magnitude und der Grösse des Schadensgebietes ein Zusammenhang.

Nachteil:

Ein Nachteil der Richterskala ist, dass ihr verwendetes Mass, die Magnitude, wenig über die Auswirkungen aussagt. Ereignet sich beispielsweise ein Erdbeben der Stärke 7,8 auf der Richterskala in einem menschenleeren Gebiet, so hat dieses starke Erdbeben für den Menschen keine Auswirkungen. In einem besiedelten Gebiet aber muss ab Magnitude 5 mit Schäden an Bauwerken gerechnet werden.

Welche Auswirkungen ein Beben einer bestimmten Magnitude in einem bestimmten Gebiet schliesslich hat, ist jedoch nicht nur abhängig von der Magnitude des Erdbebens (der freigesetzten Energie im Erdbebenherd),sondern auch:

• von der Tiefe des Erdbebenherdes,

• von der Distanz des Gebietes zum Erdbebenherd,

• vom lokalen Untergrund und

• von der Erdbebensicherheit der Bauwerke in diesem Gebiet.

Ein Tsunami ist eine seismische Meereswoge, die bei einem Seebeben ausgelöst wird, wenn dessen Hypozentrum nahe dem Meeresgrund liegt, das Erdbeben eine Magnitude von 7 oder mehr auf der Richterskala erreicht und eine senkrechte Erdbewegung die Folge ist.

Dadurch wird das gesamte Wasservolumen vom Meeresgrund bis zur Wasseroberfläche in Bewegung versetzt. Auf dem offenen Meer erreichen die Tsunamis bei einer Wellenlänge von 100 bis 500 km und einer Geschwindigkeit von 800 bis 1000 km/h, lediglich eine Wellen höhe von 50 bis 100 cm.

Erst mit Erreichen einer Küste wird die Welle durch die Bodenreibung abgebremst, während eine gewaltige Wassermasse mit hoher Geschwindigkeit nachschiebt. Dabei schrumpft die Wellenlänge, ohne dass sich die mitgeführte Energie wesentlich verringert; der Tsunami baut sich zu einer steigenden «Flutwelle» mit bis zu 30 m Höhe auf.

Im 20. Jahrhundert hat das Erdbebenrisiko weltweit

stark zugenommen, obschon sich die Erdbebengefährdung kaum verändert hat.

Gründe sind:

Das Bevölkerungswachstum, das zur Folge hat, dass auch in erdbebengefährdeten Gebieten (Kalifornien, Indonesien usw.) immer mehr Menschen leben.

Die Verstädterung: Auch Städte mit hoher Erdbebengefährdung sind stark gewachsen (Tokio, Los Angeles, San Francisco, Istanbul, Mexico City).

Die zunehmende Bedeutung der sehr erdbebenverletzbaren Infrastruktur unserer Gesellschaft wie Verkehrsverbindungen, Wasserversorgung, Stromversorgung und Telekommunikation.

Die global vernetzte Wirtschaft, die zur Folge hat, dass z. B. der Produktionsausfall einer Firma für Autogetriebe die gesamte globale Produktion gewisser Autos lahmlegen würde.

Zur Verringerung des Erdbebenrisikos gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bestehende Bauwerke müssen untersucht und falls nötig nachgerüstet und neue Bauwerke nach modernen Normen erdbebensicher gebaut werden.

In Gebieten mit hohem Erdbebenrisiko muss die Bevölkerung über Schutzmassnahmen bei Erdbeben unterrichtet sein.

Behörden müssen entsprechende Vorsorgemassnahmen ergreifen, sie müssen zum Beispiel Pläne für eine Notversorgung vorbereiten, Rettungsmannschaften aufstellen, Bergungsmassnahmen und Löschpläne ausarbeiten.

An der Oberfläche verwittern die Gesteine unter dem Einfluss von Sonneneinstrahlung, Frost, Regen, chemischen Prozessen und Druckentlastung. Die Verwitterungsreste werden durch Wasser, Eis und Wind als Bruchstücke oder gelöst wegtransportiert und während der Sedimentation (Ablagerung) schliesslich als Sedimente (feste Stoffe) abgelagert.

Unter der Last weiterer Ablagerungen erhöht sich der Druck auf die unteren Sedimentschichten. Dabei werden die lockeren Sedimente einerseits zusammengepresst und entwässert, und andererseits kristallisieren aus dem Porenwasser neue Mineralien aus und kitten die Sedimentkörner zusammen. → Verfestigung (Diagenese)

Während der Verfestigung (Diagenese) findet eine Umbildung der lockeren Sedimente zu festem Sedimentgestein statt.

Mechanische oder klastische Sedimente (griech. «klan» = zerbrechen) bestehen aus Gesteinsbruchstücken verschiedenster Korngrössen.

Chemische Sedimente entstehen durch Ausfällung gelöster Stoffe aus Lösungen.

Biogene Sedimente bilden sich aus Ablagerungen abgestorbener Pflanzen und Tiere oder durch aktive aufbauende Tätigkeiten von Tieren und Pflanzen (Korallenriffbildung).

Sedimentgesteine können durch tektonische Hebung wieder an die Erdoberfläche gelangen und dort der Verwitterung, Erosion und Ablagerung ausgesetzt werden. Sie können aber auch (z. B. bei der Gebirgsbildung) noch tiefer abgesenkt, durch Druck- und Temperaturerhöhung weiter verfestigt und in ihrem Mineralbestand und Gefüge in metamorphe Gesteine (griech. «metamorphoein» = umgestalten) umgewandelt werden.

Aus Kalkstein entsteht bei dieser Metamorphose (Umwandlung) Marmor, aus Sandstein Quarzit und aus Tonstein Schiefer.

Metamorphe Gesteine besitzen oft in eine Richtung eingeregelte Mineralien, gefaltete Strukturen oder einzelne sehr grosse Mineralien. Zudem weisen sie keine Hohlräume und Fossilien auf.

Beim Überschreiten der Schmelztemperatur kann das Gestein durch die Aufschmelzung schliesslich zu flüssigem Magma (Gesteinsschmelze) übergehen. Wegen der geringer gewordenen Dichte steigt das über 800°C heisse Magma an geeigneten Stellen in der Lithosphäre wieder nach oben und bildet beim Abkühlen und Auskristallisieren die magmatischen Gesteine.

Durch langsame Abkühlung und Auskristallisierung der Bestandteile des Magmas im Erdinnern bilden sich die Plutonite (Tiefengesteine) mit oft mehrere Millimeter grossen Kristallen (Mineralien).

Steigt das Magma jedoch an die Erdoberfläche und fliesst oder entweicht explosiv aus einem Vulkan, so entstehen Vulkanite (auch: vulkanische Gesteine, Erguss- oder Effusivgesteine). Da die 800 bis 1200°C heisse Gesteinsschmelze an der Erdoberfläche rasch abkühlt und erstarrt, können nur sehr kleine oder gar keine Mineralien auskristallisieren. Viele Vulkanite enthalten zudem kleine Blasen, weil sich beim Abkühlen der Lava plötzlich der Druck verringert und Wasserdampf und andere Gase unter Bildung von Gashohlräumen oder Blasen aus der Lava entweichen.

Plutonite und metamorphe Gesteine können mit der Zeit durch Erosion der darüberliegenden Gesteinsschichten und durch Hebung an die Erdoberfläche gelangen und dort wie die Vulkanite langsam zu losen Gesteinstrümmern verwittern. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Ein bedeutendes Sedimentgestein ist der Kalkstein, der überwiegend oder ganz aus Calciumcarbonat besteht und ganze Gebirge aufbauen kann (z. B. Jura). Kalkstein entsteht bei der Ausfällung von gelöstem Kalk aus dem Wasser in Form von Kalkschlamm. Dieser besteht aus Kalkausscheidungen von Organismen und hauptsächlich aus Kalkschalen und -skeletten von Muscheln, Schnecken, Korallen, Kalkschwämmen, Foraminiferen und vielen anderen Meereslebewesen.

Durch die Ausdehnung des Universums sank dessen Temperatur, und aus den Elementarteilchen bildete sich eine kugelförmige, langsam rotierende Wolke aus Gas und Staub, der solare Urnebel. Aus diesem Urnebel entstand später unser Sonnensystem.

Im solaren Urnebel zogen durch die Gravitationskraft die grösseren Massen die kleineren Materieteilchen an sich, was die gesamte Wolke in eine immer schnellere Rotation versetzte. Durch die raschere Rotation flachte die Gasund Staubwolke zu einer Scheibe ab. Durch die Massenanziehung strömten 99,9% der Materie des Sonnensystems zum Zentrum. Die Protosonne entstand.

Der Rest der Gas- und Staubscheibe um die Protosonne herum und viele Gase kondensierten oder gingen in einen flüssigen oder festen Aggregatzustand über. Diese Teilchen bildeten durch die Gravitation allmählich die heute acht bekannten Planeten unseres Sonnensystems. Auf diesen Zeitpunkt (vor 4,6 Milliarden Jahren) wird die Entstehung unseres Sonnensystems und damit auch der Erde festgesetzt.

Die Erde war zunächst ein homogener Planet, der im Inneren in allen Tiefen ungefähr die gleiche stoffliche Zusammensetzung aufwies.

Nach heutigem Verständnis haben zunächst drei Prozesse die Erde aufgeheizt, die die heute noch vorhandene geothermische Energie (Erdwärme) im Erdinneren erklären:

1. Bei Einschlägen von Meteoriten wandelte sich deren Bewegungsenergie in Wärme um.

2. Das Eigengewicht der Erde komprimierte sie auf ein geringeres Volumen, was im Inneren zu Druckerhöhung und zu Erwärmung führte. Entstehung des Sonnensystems und der Erde

3. Radioaktiver Zerfall von Atomen im Erdinneren setzte Teilchen und Strahlung frei, die vom umgebenden Material absorbiert wurden und es erwärmten.

Mit der zunehmenden Erwärmung setzte ein gewaltiger Schmelzprozess im Erdinnern ein und löste die Bildung des Erdinneren aus: Die schwersten Komponenten (Eisen, NickeL) sanken ins Zentrum ab, und leichteres Material stieg an die Oberfläche auf, kühlte sich dort ab und bildete eine erste Kruste. Als Folge weist die Erde heute einen schalenförmigen Aufbau auf, mit einem dichten Kern aus Eisen, einer Kruste aus leichtem Gesteinsmaterial und dazwischen einem Mantel aus den übrigen Materialien.

Für die Entstehung der Ozeane und der Atmosphäre existieren zwei Erklärungen. Einige Geologen vermuten, dass in der frühen Geschichte der Erde zahlreiche Kometen die Erde trafen. Die Kometen enthielten Wasser, Kohlendioxid und andere Gase und konnten damit die frühen Ozeane und die erste Atmosphäre bilden.

Eine andere Erklärung geht davon aus, dass ursprünglich Wasser und verschiedene Gase in bestimmten Mineralien eingeschlossen waren. Als das Erdinnere aufschmolz, wurde,n Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und andere Gase freigesetzt und mit dem Magma an die Oberfläche verfrachtet, wo sie über Vulkane an die Erdoberfläche gelangten.

Die Erdkruste macht nur 0,7% der gesamten Erdmasse aus und wird in zwei Typen unterschieden:

Die «kontinentale Kruste» im Bereich der Kontinente und des Schelfs ist mächtiger und leichter (geringere Dichte) als die «ozeanische Kruste» im Bereich der Ozeane.

Die Grenze zwischen Kruste und Mantel ist durch einen Sprung in der Dichte der Materie von 2,8 g/cm3 auf 3,5 g/cm3 gekennzeichnet und wird nach ihrem Entdecker, dem kroatischen Geophysiker Andrija Mohorovičić (1857-1936), als Mohorovičić-Diskontinuität (oder kurz: Moho) bezeichnet.

Der Mantel ist je nach Temperatur- und Druckverhältnissen fest oder teilweise aufgeschmolzen.

Der äussere Erdkern besitzt etwa die Konsistenz von sehr dünnflüssigem Honig. Weil dieses flüssige Eisen leicht strömen kann und Eisen zudem ein guter elektrischer Leiter ist, vermuten Wissenschaftler hier - einem Dynamo entsprechend – die Ursachen für das Magnetfeld der Erde.

An der Grenze zum inneren Kern steigt der Druck so stark an, dass das Eisen trotz Temperaturen von über 4000°C zu einer festen Kugel zusammengepresst wird.

Die Lithosphäre (griech. «lithos» = Stein) ist starr und brüchig wie Keramik und umfasst die Kruste und den festen Teil des oberen Mantels. Sie ist damit im Bereich von mittelozeanischen Rücken nur wenige Kilometer und im Bereich von Kontinenten bis zu 60 km Schalenaufbau der Erde mächtig.

Die unter der Lithosphäre liegenden Asthenosphäre (griech. «asthenes» = schwach) ist wegen der höheren Temperatur und des höheren Drucks plastisch und verform bar wie eine Kugel aus Wachs und reicht bis in eine Tiefe von 250 km. Die zirkulierenden Konvektionsströme in der heissen Asthenosphäre treiben die Bewegung der Lithosphärenplatten an und sind damit der Motor für die Erdbeben, den Vulkanismus und die Gebirgsbildung auf der Erdoberfläche.

Die starre Lithosphäre schwimmt, bedingt durch ihre geringere Dichte, auf der plastischen Asthenosphäre. Entsprechend dem Prinzip der Isostasie («Schwimmgleichgewicht»). taucht die Lithosphäre unter einem Gebirge durch das zusätzliche Gewicht tiefer in die Asthenosphäre ein. Wird das Gewicht des Gebirges später durch Abtragung verringert. so hat dies, wie beim Entladen eines schwimmenden Schiffes, eine Hebung zur Folge, bis die Isostasie wiederhergestellt ist.

Die endogenen Kräfte (griech. «endogen» = von innen kommend, von innen entstehend) umfassen alle Vorgänge im Erdinneren und derenAuswirkungen an der Erdoberfläche wie Vulkanausbrüche, Erdbeben und Gebirgsbildungen.

Der Kontinentaldrift (Kontinentalverschiebung) sind die sehr langsamen, aber grossräumigen Bewegungen der Kontinente.

Die starre Lithosphäre schwimmt, bedingt durch ihre geringere Dichte, auf der plastischen Asthenosphäre. Die Lithosphäre umgibt jedoch nicht als durchgehende Schale die gesamte Erdkugel, sondern sie ist in~ungefähr ein Dutzend grosse, starre Lithosphärenplatten aufgeteilt, die ständig in Bewegung sind.

Weil die Asthenosphäre heiss und damit fliessfähig ist, können in diesem Material Konvektionsströme einsetzen. Das Material in der Tiefe wird dabei erhitzt, dehnt sich aus und steigt aufgrund seiner geringer gewordenen Dichte auf. Oben kühlt das Material wieder ab und sinkt wegen seiner grösseren Dichte wieder in die Tiefe. Die Energiequelle dieser Bewegung ist die Wärme im Erdinneren. Die Konvektionsströmungen in der Asthenosphäre sind sehr langsam .und verschieben die darauf schwimmenden Lithosphärenplatten nur um wenige Zentimeter pro Jahr.

Die meisten der grösseren Lithosphärenplatten bestehen aus ozeanischen, meerbedeckten Bereichen und kontinentalen Anteilen. Einige Platten sind aber auch rein ozeanisch. Jede Lithosphären platte verschiebt sich als selbstständige Einheit, woraus drei unterschiedliche Plattengrenzen resultieren:. divergierende und konvergierende Plattengrenzen und Transformstörungen.