Die Wirkungsweise des Strainmeters

Obwohl schon 1898 in Japan die ersten Versuche in dieser Richtung unternommen worden, wird im Allgemeinen Benioff als der Erfinder des ersten Strainseismometers genannt (Hiersemann, 1962), wohl auch wegen der grundlegenden zu diesem Thema veröffentlichten Abhandlung (Benioff, 1935).

Um eine durch Oberflächendeformationen hervorgerufene relative Längenänderung messen zu können, bedarf es zumindest eines Wegaufnehmers oder einer anderen geeigneten Wegmesseinrichtung, z. B. eines Schwingspulensystems (Hiersemann, 1962). Die Signale, die hier betrachtet werden, sind jedoch so klein, dass auch eine Messstreckenverlängerung installiert werden muss. Eine Strainmeterregistrierung bildet also immer nur eine Näherung des eigentlich an einem Punkt definierten Strains. Abbildung 2.1 illustriert das Messprinzip eines Stangenextensometers.

Beim Passieren der Messstrecke impliziert die seismische Welle oder jede andere Bodendeformation eine Abstandsänderung zwischen dem frei hängenden Stangenende und dem zweiten Ankoppelpfeiler. Drei Arten von linearen Strainmetern haben sich durchgesetzt: Stangenstrainmeter, Drahtextensometer und Lasermesssysteme.

Eine Kombination von Stangen bzw. Rohren aus Quarzglas oder anderem geeigneten Material überbrückt eine Messbasis von bis zu mehreren Dekametern. Die Forderung nach einem möglichst geringen Ausdehnungskoeffizienten, einer hohen Korrosionsbeständigkeit und ausreichender Stabilität engen die Materialauswahl dabei erheblich ein. In seltenen Fällen (z. B. beim Moxaer Kurzstrainmeter) genügt ein einziges Segment zur Messbasisüberbrückung. Eine Fehlerquelle (die Segmentkupplungen) wird dabei durch eine andere (geringe Auflösung) ersetzt.

Ebenso wie in Freiberg (Pöschke, 1963; Schmalfuß, 1965) und in der Station Tiefenort (Harwardt, 1973), wo jeweils ein Gerät zur Anwendung kam, hat sich am Observatorium Schiltach (BFO) ein aus drei Komponenten bestehendes Array aus Drahtextensometern bewährt (Emter et. al., 1998). Die Abbildung 2.2 beschreibt das Funktionsprinzip. Bei einer Abstandsänderung der Grundplatten (7) sorgt der gespannte Draht (8) für eine Lageänderung des induktiven Aufnehmers (1). Bemerkenswert ist die Quecksilber-Crapaudine (12), die in Verbindung mit dem zweiten Aufnehmer (9) die Kalibrierung des Instruments ermöglicht, indem eine definierte reale Abstandsänderung der Basispunkte vorgenommen wird.

Bereits seit mehreren Jahrzehnten werden die Vorteile der Längenmessung durch interferometrische Verfahren diskutiert (Hiersemann, 1962; Teupser, 1970; Harwardt, 1974). Besonders in den Gebieten der Industrienationen, in denen Deformationen und Erdbeben eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung haben, wie z. B. in Japan, wird von Laserstrainmetern erfolgreich Gebrauch gemacht (Takemoto et al, 1993). Dabei wird eine Messstrecke von einem Laserstrahl durchlaufen und in Interferenz mit einem Referenzstrahl gebracht (Jäger, 1998).

Die Anwendungsmöglichkeiten von Extensometern sind vielfältiger Art. So können Setzungserscheinungen an großen Bauwerken wie Talsperren beobachtet werden (Harwardt, 1973). In Form von Dehnmessstreifen werden sie im Maschinenbau zum Erfassen der Elastizität von Bauteilen verwendet (Tränkler, 1992). In der Geophysik werden Extensometeraufzeichnungen zur Überwachung aperiodischer tektonischer Ereignisse herangezogen, etwa in Kalifornien als Nachweis für tektonische Driften (Agnew, 1986).

Entsprechend den Einsatzgebieten der hier besprochenen Strainmeter (vornehmlich im Observatorium Moxa) soll im Folgenden nur von periodischen Signalen die Rede sein. Deren Spektrum reicht von seismischen Ereignissen über die bei besonders starken Beben ausgelösten Erdeigenschwingungen (Zürn et al., 1986) und die Gezeiten bis in den Bereich der extrem langen Perioden (Agnew, 1986), z. B. der Chandlerschen Polbewegung, einer Bewegung der Rotationsachse der Erde um den mittleren festen Pol (Rennert et. al., 1988) mit einer Periode von 437 Tagen (Kerz, 1995). Abbildung 2.4 zeigt einen Überblick über die Spektralbereiche.

Das Interesse an den von Erdbeben ausgelösten Raum- und Oberflächenwellen hat entgegen der ursprünglichen Idee vom Strainseismometer stark nachgelassen, vor allem wegen der Überlegenheit heutiger globaler seismischer Netze hoher Qualität (Zürn, persönliche Mitteilung, 1998) und des im Laufe der Zeit mit Hilfe elektronischer Feedback-Systeme stark erweiterten Übertragungsbereiches der Seismometer, der sich bereits mit dem der Gravimeter trifft. Das Augenmerk gilt deshalb heute vor allem den Gezeiten, Erdeigenschwingungen, Erdkernresonanzen und noch langperiodischeren Effekten.

Beim NDFW (Nearly Diurnal Free Wobble) handelt es sich um eine Resonanz ..., deren Frequenz durch die dynamische Elliptizität des Erdkerns und den bei Verstellung der Symmetrieachse von Erdmantel und Erdkern auftretenden Rückstellmomenten bestimmt wird (Emter et. al., 1998).

Abbildung 2.5 zeigt ein Beispiel für die Erfassung von Erdbebenwellen. Es handelt sich um ein am BFO Schiltach aufgenommenes Beben vom Frühjahr 1998. Bei der sehr langen Messreihe der Station Villanova (Abbildung 2.6) zeigt sich ein erheblicher Strain mit einer etwa jährlichen Periode, deren Ursache regionaler und lokaler Natur ist (Braitenberg, persönliche Mitteilung, 1999).

Die in den Abbildungen 2.5 und 2.6 und in allen in dieser Arbeit folgenden Zeitreihendarstellungen auftretende Einheit ist nS (Nano-Strain). Wird eine Strecke der Länge 1 Meter um einen nm (Nano-Meter), also um 10^-9 m verlängert (verkürzt), dann beträgt der Strain 1 nS (-1 nS).