Electromagnetic radiation as a tool to determine actual crustal stresses - applications and limitations

Abstract

In den letzten Jahrzehnten fand die Entstehung natürlicher Elektro-Magnetischer Strahlung/Radiation (EMR) immer mehr Beachtung, bevorzugt auf den Gebieten der Materialwissenschaften und der Geowissenschaften. EMR geht mit Materialversagen einher, und wird daher als Möglichkeit zur Erdbebenvorhersage untersucht aber auch zum Detektieren von Störungen und, in jüngerer Zeit, zur Bestimmung von in situ- Hauptspannungsrichtungen. Der Entstehungsmechanismus dieser natürlichen EMR wird noch nicht vollständig verstanden, aber Laborstudien konnten nachweisen, dass der Mechanismus mit der Bildung von Mikrorissen einhergeht. Diese durch Risse hervorgerufene EMR besitzt richtungsabhängige Eigenschaften, und ihre maximale Intensität ist parallel zum verursachenden Mikrorissausbreitung. Da die Mikrorissausbreitungsrichtung durch das umgebende Spannungsfeld diktiert wird, ermöglicht eine Messung der Richtungseigenschaften der rissinduzierten EMR die Bestimmung der Hauptspannungsrichtungen. Das Cereskop ist ein tragbares Messgerät, mit dem derartige Messungen im Gelände vorgenommen werden können. Allerdings wird diese neue Technik bisher nur von einer kleinen Gruppe von Wissenschaftlern eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Anwendbarkeit der EMR-Methode durch weitere Geländeuntersuchungen zu prüfen. Für diesen Zweck wurden drei Geländestudien in verschiedenen geologischen Regimen durchgeführt.In der ersten Studie (Kapitel 3) wurde die Möglichkeit der Bestimmung der größten horizontalen Normalspannung (H) mit der EMR-Methode überprüft. Zusätzlich wurde eine Richtungsanalyse bruchafter Strukturen in den Größenordnungen vom Kilometer- bis hinunter in den Submillimeterbereich durchgeführt, um jene Sprödstrukturen zu identifizieren, welche Beiträge zur im Gelände gemessenen EMR liefern könnten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit abnehmender Größe der Sprödstrukturen, sich ihre Orientierung der Hauptrichtung der EMR immer stärker angleicht. Das stützt Erkenntnisse aus Laboruntersuchungen, die Mikrorisse als EMR-Emittenten identifizieren konnten. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass sowohl die Neubildung von intragranularen Mikrorissen als auch Rissausbreitungen an Korn- und Phasengrenzen als Ursache für die gemessene EMR in Frage kommen. Weiterhin stimmen sowohl die bestimmten EMR-Hauptrichtungen als auch die Orientierung der Mikrostrukturen mit in situ H-Richtungen überein, die hier mit anerkannten (konventionellen) Methoden bestimmt wurden. Diese Studie stützt somit die Anwendbarkeit der EMR-Methode zur Bestimmung von H.Die zweite Fallstudie (Kapitel 4) untersuchte die Möglichkeit, Störungen bzw. Störungszonen mit Hilfe der EMR-Methode zu detektieren. Hierzu wurde in Südostschweden und Mitteldeutschland eine Reihe von Störungen mit bekanntem Verlauf ausgewählt, über die auf Querprofil-Linien EMR-Messungen durchgeführt wurden. Zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und Auswertbarkeit der Daten wurden die Cereskopdaten mit genauen geographischen Koordinaten verbunden. Des Weiteren wurden die EMR-Daten für eine ausgewählte Störung mit denen Ergebnissen einer etablierten Methode zur Störungsdetektion verglichen. Bei letzterer handelt es sich um die Messung erhöhter Radonentgasung über Störungen. Es war möglich, die Störung mit beiden Methoden zu lokalisierten, wobei sich zeigte, dass mit der EMR-Methode wesentlich genauere Ergebnisse mit geringerem Aufwand zu erzielen sind. Im Allgemeinen ist die EMR-Methode somit eine nützliche und zuverlässige Methode, um Störungszonen zu lokalisieren. Zusätzlich liefern EMR-Daten Informationen zur Breite und zum Einfallen von Störungszonen.Die dritte Fallstudie (Kapitel 5) beschäftigte sich mit der räumlichen Auflösung und zeitlichen Veränderungen von EMR-Merkmalen. Hierzu wurde auf einer Gesamtfläche von 280 000 km2 an 52 Standorten die EMR-Hauptrichtung bestimmt. Die daraus abgeleiteten H-Richtungen weichen z.T. deutlich von den in der World Stress Map abgebildeten Richtungen ab. Die gemessenen EMR-Hauptrichtungen bilden überwiegend ein konzentrisches Muster, deren gemeinsamer Mittelpunkt mit der Lage eines militärischen VLF-Senders übereinstimmt. Zudem gibt es eine deutliche Korrelation zwischen gemessenen EMR-Intensitäten und dem Abstand zu diesem Sender. Diese Ergebnisse machen die Anwendbarkeit der EMR-Methode fragwürdig, wenn künstliche Störfaktoren nicht in Erwägung gezogen werden. Ergebnisse früherer Studien, deren Daten auf dieser Methode basieren, müssen daher teilweise überdacht werden.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass trotz der vielversprechenden Ergebnisse der ersten beiden Fallstudien die dritte Studie beweist, dass die EMR-Methode in ihrem momentanen Entwicklungsstand für die Bestimmung von Hauptspannungsrichtungen nicht geeignet zu sein scheint. Im Falle der zweiten Fallstudie kann die erfolgreiche Lokalisierung von Störungszonen auf die bereits bekannte VLF-Methode zurückgeführt werden. Da der generelle Ansatz der EMR-Methode jedoch prinzipiell richtig und vielversprechend ist, muss in Zukunft das Messverfahren überarbeitet werden, um die aufgezeigten technischen Schwierigkeiten überwinden zu können.