Epizentrum

Das Epizentrum ist der Ort an der Oberfläche, welcher genau über einem Erdbebenherd (Hypozentrum) liegt. Das Epizentrum ist somit die vertikale Projektion des Hypozentrums auf die Erdoberfläche. Der Begriff leitet sich vom griechischen Wort „epíkentros“ ab, was soviel wie „über dem Mittelpunkt“ bedeutet.

Um das Epizentrum eines Erdbebens zu lokalisieren, müssen die Erschütterungen von mindestens 3 verschiedenen Messstationen registriert werden. Zuerst erreichen die p-Well die Messstation, bzw. das Geophon. Die P-Wellen schwingen wie Schallwellen und werden in Ausbreitungsrichtung gestaucht und wieder gestreckt. Dann treffen die S-Wellen ein. Sie sind etwa halb so schnell wie die P-Wellen und schlängeln sich s-förmig durch das Gestein. Durch den Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen der P-Welle und der S-Welle  können die Seismologen die Entfernung zum Erdbebenherd bestimmen, indem sie ein Diagramm erstellen. Das Diagramm beinhaltet eine Zeit- und eine Entfernungsscala. Auf einer Karte wird nun um jede der 3 Messstationen ein Kreis gezogen, der den Durchmesser der Entfernung zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht. Dort, wo sich die drei Kreise schneiden liegt das Epizentrum.

In der Seismologie geht man vereinfachend davon aus, dass sich ein Erdbeben auf einen Punkt konzentriert. In der Realität hat die Bruchzone eines Erdbebens meistens eine flächenhafte Erstreckung entlang einer Störungszone. Sie kann auf mehreren viele Kilometern Länge aufbrechen und entlang dieser Zone große Schäden anrichten.

Schadenswirkung in Bezug auf das Epizentrum

Die Schadenswirkung eines Erdbebens ist normalerweise am Epizentrum am größten und nimmt mit der Entfernung zum Epizentrum ab. Es gibt allerdings auch andere Einflüsse auf die Schadenswirkung eines Erdbebens: Einfluss hat z.B. die geologische Beschaffenheit des Untergrunds. So können in Sedimentbecken Resonanzeffekte entstehen, die zu deutlich stärkeren Bodenbewegung an der Oberfläche führen können. Auch der Herdmechanismus wirkt sich auf die entstehenden Schäden aus. Dieser beschreibt den Ablauf des Geschehens, wie sich unterirdische Brüche ausbreiten und in welcher Richtung der Erdboden versetzt wird. Entsteht bei einem Seebeben ein großer vertikaler Versatz, ist die Gefahr eines Tsunamis besonders hoch.

Erdbeben

Unter einem Erdbeben versteht man eine Erschütterung der Erdoberfläche als Folge einer plötzlichen Energiefreisetzung in der Erdkruste (Lithosphäre) die seismische Wellen erzeugt. In seltenen Fällen kann sich das Erdbeben auch im Erdmantel ereignen. Die Stärke eines Erdbebens ist sehr variabel: die meisten Erdbeben sind so schwach, dass Menschen sie nicht wahrnehmen können. Es gibt aber auch so starke Erdbeben, dass Spalten und Risse in der Erdkruste entstehen und große Schäden angerichtet werden. Katastrophale Erdbeben können Tausende Menschenleben fordern und sekundäre Naturkatastrophen wie Erdrutsche, Tsunamis und Vulkanausbrüche auslösen.

Gut 90 Prozent aller tektonischer Erdbeben entstehen entlang der kontinentalen Plattengrenzen. Entlang von Störungszonen reiben Gesteinsplatten aneinander, oder sie schieben sich übereinander. Dabei verhaken und verbiegen sich die Gesteinsplatten und geraten unter Spannung. Werden die Spannungen zu groß, dann kann eine gebogenen Gesteinsplatte zurückschnellen oder brechen. Vorher aufgestaute Energie entlädt sich explosionsartig und erzeugt seismische Wellen, die sich kugelförmig vom Erdbebenherd aus ausbreiten. Es entstehen verschiedene Wellenarten, die sich in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und Schwingungsrichtung unterscheiden.

An der Erdoberfläche manifestieren sich Erdbeben durch Erschütterung und Verschiebung oder Störung des Bodens. Wenn sich das Epizentrum eines großen Erdbebens vor der Küste befindet, kann der Meeresboden so weit verschoben werden, dass ein Tsunami entsteht. Erdbeben können auch Erdrutsche und gelegentlich auch vulkanische Aktivitäten auslösen.

Im allgemeinsten Sinne wird das Wort Erdbeben verwendet, um jedes seismische Ereignis zu beschreiben, das seismische Wellen erzeugt, sei es natürlich oder durch den Menschen verursacht. Erdbeben können nicht nur durch das Aufreißen geologischer Verwerfungen generiert werden, sondern auch durch Ereignisse wie Vulkanaktivität, Erdrutsche und Atomtests. Die Stelle des Anfangbruchs eines Erdbebens wird als Erdbebenherd, Brennpunkt oder Hypozentrum bezeichnet. Das Epizentrum entspricht der Projektion des Hypozentrum an der Erdoberfläche und liegt genau über dem Erdbebenherd.

Erdbeben-Skalen

Um die Größe eines Erdbebens quantitativ zu erfassen wurden im 20. Jahrhundert verschiedene Magnituden-Skalen eingeführt. Davor musste man sich mit der Beschreibung der Intensität der Erdbeben begnügen und konnte so nur wahrnehmbare Erdbeben erfassen. In der Mercalli-Skala wurden den Erdbeben römische Ziffern von I bis XII zugeordnet. Die Ziffer I bedeutete dabei „kaum spürbar“, die XII  beschrieb hingegen katastrophalste Erdbeben.

Eine weit verbreitete Scala ist die Richterskala. Hier wird die Magnitude des Erdbebens direkt aus der Amplituden-Messung der Schwingungen berechnet. Die Amplituden stehen in linearen Zusammenhang mit der Energiefreisetzung eines Erdbebens. So wurde die Stärke verschiedener Erdbeben vergleichbar. Die Messung der Amplitude wird mit einem Seismometer durchgeführt. Die Richterskala st theoretisch nach oben offen, kann aber praktisch nur Erdbeben bis zur Magnituden 10 erfassen. Bereits am M 6,5 wird sie ungenau. Einschränkend kommt hinzu, dass sie für die Berechnung weiter entfernter Erdbeben ungeeignet ist.

1977 wurde die Moment-Magnitude (Mw) eingeführt. Auch sie berechnet aus den Schwingungsamplituden die freiwerdende Energie eines Erdbebens. Allerdings basiert die Berechnung der Moment-Magnitude auf dem Skalarprodukt aus der Größe der Bruchfläche im Untergrund, der mittleren Verschiebung der Gesteinsblöcke und dem Schermodul des Gesteins. Da das seismische Moment keine Sättigung erreicht, erfährt auch die Momenten-Magnitude keine Sättigung. Darum können mit ihr auch Erdbeben mit großer Energiefreisetzung genau erfasst werden.

Häufige Begriffe um Erdbeben

In der Berichterstattung über Erdbeben und Vulkanausbrüche liest man oft die Begriffe tektonisches Erdbeben, Nachbeben, Vorbeben, Schwarmbeben, Tremor, vulkanisches Beben. Hier eine kurze Erklärung: bei den meisten Erdbeben handelt es sich um tektonische Erdbeben, wie sie oben beschrieben sind. Sie entstehen infolge von Gesteinsbruch an tektonische Störungszonen. Die Begriffe Vor-, bzw. Nachbeben erklären sich selbst. Sie sind deutlich schwächer als das Hauptbeben. Gibt es zahlreiche Erdbeben ähnlicher Magnitude spricht man von einem Schwarmbeben. Diese können tektonischer Natur sein, aber auch im Zusammenhang mit Vulkanismus/Magmatismus auftreten. Vulkanische Beben, genauer, vulkanotektonische Erdbeben entstehen, wenn unter einem Vulkan Magma aufsteigt und dieses Gestein zerbricht. Tremor ist ein kontinuierliches Beben des Erdbodens, dass durch Magmenbewegungen ausgelöst wird.

Eruption

Eruption ist ein allgemeiner Bergriff für die vulkanische Ausbruchstätigkeit. Der Begriff wurde aus vom englischen „eruption“ abgeleitet und kann mit Vulkanausbruch übersetzt werden. Ein Vulkan kann auf verschiedene Arten ausbrechen. Bei einer Eruption treten aus dem Vulkan Lava und Gase aus. Treten nur Gase aus, spricht man von einer Exhalation. Grundlegende Eruptionsarten sind effusiv und ejeketiv.

Effusive Eruption

Bei einer effusiven Eruption wird die Lava in Form von Lavaströmen oder Lavaseen gefördert. Es können auch niedrige Lavafontänen entstehen. Das Magma ist heiß und niedrigviskos. Es enthält wenig Gas. Bevorzugt sind es Spalten- und Schildvulkane die effuisv eruptieren. Typische Beispiele sind die Vulkane Hawaiis und der Piton de la Fournaise auf La Réunion.

Eine Ausnahme stellen kurze hochviskose Lavaströme und Lavadome dar. Während die Lava der kurzen Lavaströme relativ wenig Gas enthält, sieht es bei der Lava der Dome anders aus. Unter dem Dom kann sich großer Gasdruck aufbauen, welcher den Dom sprengt. Die Lava der Dome ist ebenfalls relativ reich an Gas. Brechen Lavapakete ab, fragmentieren diese und es entstehen pyroklastische Ströme. Dome entstehen für gewöhnlich an Stratovulkanen, die sich hinter Subduktionszonen bilden. Klassische Beispiele hierfür sind der Merapi auf Java, oder Vulkane der Anden. Auch der Popocatepetl bildet gerne Lavadome.

Ejektive Eruption

Von ejektiven Eruptionen spricht man, wenn Lava im Förderschlot fragmentiert wird und explosiv als Tephra gefördert wird. Umgangssprachlich werden ejektive Eruptionen auch als explosive Eruptionen bezeichnet. Die Tephra kann dabei unterschiedliche Formen annehmen, je nach Grad der Fragmentierung. Ist die Tephra stark fragmentiert entstehen Lapilli und Vulkanasche. Gröbere Teile werden als Bomben, Blöcke, Klasten oder Schlacken bezeichnet. Sind sie heißer as 800 Grad glühen diese. Es können auch hoch aufsteigende Lavafontänen entstehen. Die Größe einer Explosion ist nicht nur von der Menge des Materials im Förderschlot abhängig, sondern auch von dem Gasdruck. Dieser steuert maßgeblich die ejektive Eruption. Wenn das Magma niedrigviskos ist und viel Gas enthält, dann entstehen Lavafontänen. Ist das Magma hochviskos entstehen hoch aufsteigende Aschewolken. In diesem Fall spricht man von „grauen Vulkanismus“.

Es gibt auch beliebige Mischformen zwischen effusiven und ejektiven Eruptionen. Ein Vulkan kann gleichzeitig effusiv tätig sein und auch ejektiv ausbrechen. Solche Eruptionen kommen am Ätna auf Sizilien oft vor, meistens in Form von Paroxysmen.

Eruptions-Mechanismen

Über die Förderart (ejektiv, effusiv) von Laven entscheiden im wesentlichen die Faktoren: Wasser-, Gas-, Kieselsäuregehalt und Temperatur des Magmas. Je nachdem, in welchem Verhältnis diese Faktoren zueinander stehen, ergeben sich unterschiedliche Eruptionsmechanismen.

Christof Hug-Fleck fasste diese Beziehungen in seinem Buch „Die ruhelose Erde“ so zusammen:

Wasser Gas Kieselsäure (SiO2) Temperatur in °C Förderart
+
bis 1230 effusiv, ruhig
+
+
effusiv & ejektiv
+
600 – 900 °C schiebt saure Laven aus den Schlot (Dom)
+
+
400 – 700 °C hoch explosiv, Glutwolken

Eruptionssäule

Eine Eruptionssäule einsteht bei explosiven Eruptionen und beschreibt die vertikal aufsteigende Asche-Gas-Wolke über einem Vulkan. Im Extremfall kann eine Eruptionssäule bis in die Stratosphäre aufsteigen. Bei sehr starken (plinianischen) Eruptionen kann sich die Vulkanasche mit den Höhenwinden über Tausende Kilometer weit verteilen. Sogenannte Aerosole können sich sogar global in der Atmosphäre ausbreiten und zu einem weltweiten Temperaturrückgang führen.

Im Gegensatz zu einer Aschewolke/Eruptionswolke sind die unterschiedlichen Bereiche einer Eruptionssäule sehr wohl definiert. Eine Aschewolke kann hingegen auch diffus sein.

Mit der Höhe kann eine Eruptionssäule in 3 verschiedenen Bereiche aufgeteilt werden. In diesen Bereichen unterscheidet sich das physikalische Verhalten der Eruptionssäule.

a) Gasschubbereich: das ist der untere Bereich der Eruptionssäule. Hier bewirkt die Gasausdehnung der Explosion, dass das Material aufsteigt. Der Gasschubbereich reicht für gewöhnlich nur einige Hundert Meter hoch. Die größeren Tephra-Partikel fallen aus und die Dichte reduziert sich mit der Höhe.

b) Konvektiver Schubbereich: im mittleren Säulenbereich ist es noch heiß und es geht turbulent zu. Alle größeren Partikel sind ausgefallen und die heißen Gase dehnen sich aus. Dadurch sinkt die Dichte in der Eruptionssäule. Es wird Luft von außerhalb der Eruptionssäule angesaugt. Dieser Effekt sorgt für einen weitern Aufstieg der Eruptionssäule. Gut 90% der höhe einer Eruptionssäule fallen diesem Bereich zu.

c) Schirmregion: besonders bei plinianischen Eruptionen bildet sich im oberen Bereich eine ausgeprägte Schirmregion, die an den Kopf eines Atompilzes erinnert. Hier sind Dichte und Druck zwischen der Eruptionswolke und der Atmosphäre fast ausgeglichen. Eine weitere Aufwärtsbewegung wird nur noch durch den Bewegungsimpuls gesteuert. Die Wolke wird vom Höhenwind verdriftet, wodurch sie asymmetrisch werden kann.

Unter bestimmten Bedingungen kann es zum Kollaps der Eruptionssäule kommen. Dann können pyroklastische Ströme (pyroklastische Dichteströme/ Surges) entstehen. Besonders wenn es zu einem Nachlassen des Gasschubs kommt, oder wenn sich die Gastemperatur ändert, kann es zum Kollaps kommen. Die pyroklastischen Ströme können große Strecken zurücklegen und gelten als eine der größten Vulkangefahren.

Exhalation

Als Exhalation eines Vulkans bezeichnet man das Ausströmen von Dämpfen und Gasen. Gelegentlich kann in der Exhalation auch etwas Vulkanasche enthalten sein. Dann ist der Übergang zur Eruption fließend und nicht klar definiert. Die Exhalation vulkanischer Fluide kann ein seismisches Signal verursachen. Besonders in den Berichten aus Indonesien und Mexiko werden Exhalationen aufgeführt.