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Einem internationalen Team um Manuel Asnar, GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, ist mit Laboruntersuchungen im Hochdrucklabor des GFZ ein Durchbruch gelungen: Mit ihrem Untersuchungsaufbau konnten die Forschenden seismische Wellengeschwindigkeiten in einem nur wenige Zentimeter großen Sandstein-Zylinder für verschiedene Ausbreitungsrichtungen mit hoher Genauigkeit messen. So fanden sie heraus, wieso sich die seismischen Wellengeschwindigkeit kurz nach einem Erdbeben verlangsamt und danach wieder auf Normalmaß zurückkehrt. Die Ergebnisse spielen auch eine Rolle für Bauwerksstabilität.
Auch feste Gesteine sind keine statischen Materialien mit konstanten Eigenschaften. Schon bei geringen Belastungen verändern sich ihre mechanischen Eigenschaften; die Reaktion auf eine Deformation ist ein Verlust an Festigkeit. Ein derart geschädigtes Material hält einer Belastung, zum Beispiel durch Schwerkraft oder tektonische Spannungen, weniger gut stand. Bedeutung hat diese Dynamik daher für das Auftreten von Materialversagen, etwa bei Hangrutschungen oder Erdbeben. Solche Veränderungen der elastischen Eigenschaften werden in vielen heterogenen und granularen Materialien wie Gestein, Beton oder Sedimenten beobachtet. Daher spielen sie auch in der Geotechnik und bezüglich der Stabilität von Bauwerken eine Rolle.
Mit akustischen Methoden werden diese Effekte seit Jahren im Labor untersucht. Die Entwicklung der seismischen Interferometrie ermöglichte solche Beobachtungen, mit Hilfe des seismischen Rauschens, auch im Gelände. Ein prominentes Beispiel ist die inzwischen vielfach beobachtete plötzliche Verringerung der seismischen Wellengeschwindigkeit im Untergrund kurz nach einem Erdbeben (Schädigung). Diese wird gefolgt von einem langsamen Wiederanstieg, der sich über Jahre hinziehen kann (Heilung).
Trotz dieser Studien sind die physikalischen Ursachen dieses Prozesses auch nach Jahren der Forschung nicht geklärt, obwohl allgemein akzeptiert ist, dass der Kontrast zwischen sehr festen Körnern und deutlich weicheren Kornkontaktflächen und die damit einhergehende Konzentration von Deformation an Korngrenzen für diese Effekte verantwortlich ist.
Einem Team um Manuel Asnar mit Beteiligung von Wissenschafter:innen des GFZ, der Universität Edinburgh, Großbritannnien, und der Universität Lorraine in Nancy, Frankreich, ist mit Laboruntersuchungen im Hochdrucklabor des GFZ ein Durchbruch gelungen. Mit ihrem Untersuchungsaufbau konnten die Forschenden die Wellengeschwindigkeiten in einem nur wenige Zentimeter großen Sandstein-Zylinder für verschiedene Ausbreitungsrichtungen mit hoher Genauigkeit messen.
Die Probe wurde unter variable Spannung entlang der Zylinderachse gesetzt. Dabei zeigt sich, dass die statischen Effekte der Spannung wie erwartet Wellen, die entlang der Zylinderachse laufen, stark beeinflussen, während Wellen entlang des Durchmessers nur geringfügig beeinflusst wurden. Für die transienten Effekte (Schädigung bei Änderung der Belastung, langsame Heilung) dagegen waren die Veränderungen der Wellengeschwindigkeit in allen Richtungen gleich.
Dieses Ergebnis zeigt erstmals, dass die transienten Effekte nicht durch Kornkontakte verursacht werden, die durch Kompression mehr oder weniger stark zusammengedrückt werden. Vielmehr sind die Ergebnisse durch Kontaktflächen zu erklären, die sowohl bei Be- als auch bei Entlastung gegeneinander verschoben, also geschert werden.
Der Einfluss von Reibung an Kontakten innerhalb des Materials wurde schon länger als mögliche Erklärung von transienten Geschwindigkeitsänderungen diskutiert. Doch erst die vorliegende Untersuchung der Anisotropie – das heißt die Richtungsabhängigkeit beider Effekte – liefert einen deutlichen Beleg für diese Interpretation. Auf dieser Basis lassen sich nun Modelle entwickeln, um die zeitlichen Veränderungen mechanischer Eigenschaften besser zu beschreiben.
Dr. Manuel Asnar
manuel.asnar@gfz.de
Dr. Christoph Sens-Schönfelder
sens-schoenfelder@gfz.de
Asnar, M., Sens-Schönfelder, C., Bonnelye, A. et al. Anisotropy reveals contact sliding and aging as a cause of post-seismic velocity changes. Nat Commun 16, 7587 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62667-0
Bentheimer Sandstein, in Neopren eingehüllt und mit allen Sensoren beklebt, bevor er in die Presse g ...
Source: Manuel Asnar/GFZ
Copyright: GFZ
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Construction / architecture, Geosciences, Materials sciences
transregional, national
Research results
German
Bentheimer Sandstein, in Neopren eingehüllt und mit allen Sensoren beklebt, bevor er in die Presse g ...
Source: Manuel Asnar/GFZ
Copyright: GFZ
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