1. Einleitung

Emil Wiechert (1923), von 1898 bis 1926 Direktor des Geophysikalischen Instituts in Göttingen, schreibt unter dem Titel "Untersuchungen der Erdrinde mit dem Seismometer unter Benutzung künstlicher Erdbeben" in den Nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-physikalische Klasse 1923:

"So scheint die sichere Gewähr geboten, dass es möglich sein wird, bei verhältnismässig kleinem Aufwand mittels künstlicher Beben eine Laufzeitkurve für Nahbeben herzustellen, wie sie nötig ist, um die Lagerung der für die Geologie in Betracht kommenden Erdschichten festzustellen."

In einem Artikel der Geologischen Rundschau im Jahre 1926 mit dem Titel "Untersuchung der Erdrinde mit Hilfe von Sprengungen" geht Wiechert (1926) noch einen Schritt weiter und schreibt:

"Es scheint ein erstrebenswertes und wohl erreichbares Ziel der experimentellen Seismik, jede Zacke, jede Welle der Seismogranune zu erklären und für die Entwirrung der Beschaffenheit der Erdrinde dienstbar zu machen."

Dieses Ziel ist bis heute noch nicht erreicht und wird auch in absehbarer Zeit nicht erreicht werden. Inzwischen sind aber schon gewaltige Fortschritte gemacht worden, die Lücke zwischen der Erkenntnis durch die Erdbebenforschung bis zur geologischen Oberflächenkartierung zu schliessen.

Durch diese beiden Zitate von Wiechert ist die Problemstellung für die Erforschung der Kruste unserer Erde gegeben.

In diesem Artikel werden die Anfänge der Krustenseismik aufgezeigt. Zum grössten Teil handelt es sich dabei um Fernsprengungen mit Beobachtungen über einige 10 km bis 100 km Entfernung. Für die Fernsprengungen gibt Reinhardt (1954) eine zusammenfassende Katalogisierung. Über die Arbeiten des Geophysikalischen Instituts in Göttingen auf diesem Gebiet wurde von Förtsch u. Schulze (1948) in "Naturforschung und Medizin in Deutschland 1939-1946" berichtet.

2. Erdbebenseismik

Die Fernbeben zeigten sehr bald, dass die Ankunftszeiten an den Erdbebenstationen sich in eine Laufzeitkurve für die verschiedenen Wellenwege und -arten einpassen liessen. Die über die ganze Erde verteilten Erdbebenstationen lieferten das Material, diese Laufzeitkurven in ihren Einzelheiten zu bestimmen. Wichtige Erkenntnisse über den Aufbau unserer Erde, Gliederung, Aggregatzustände, ferner über Herdtiefen und den Mechanismus eines Bebens wurden erzielt. Während sich bei diesen grossräumigen Untersuchungen ein ziemlich homogener Aufbau der Erde zu ergeben schien, erkannte man bald, dass die oberflächennahen Schichten weit komplizierter gelagert sind. Konnte die gross- räumige Schichtung der Erde mit verhältnismässig wenigen Erdbebenstationen erfasst werden, so war es notwendig, für die Erforschung etwa der oberen 50 km die Stationen dichter zusammenzurücken. Als Energiequelle dienten nun die Nahbeben. Wegen der geringen Energie musste die Vergrösserung der Seismometer von ungefähr hundertfach auf tausendfach heraufgesetzt werden. Die Aufzeichnungen erfolgten in Russ. Die träge Masse, die notwendig ist, die Reibung von 1 Millipond an der Schreibspitze in Russ zu überwinden, betrug bei hundertfacher Vergrösserung 1 t und bei tausendfacher Vergrösserung 17 t. Viele Schwierigkeiten ergeben sich bei der Aufstellung der Laufzeitkurve für Nahbeben. Herdkoordinaten, Herdtiefe und Herdzeit sind unbekannt. Unter gewissen Annahmen der Schichtung, die aber gerade erst herausgefunden werden sollten, lassen sie sich ungenau bestimmen, allenfalls höchstens etwas einengen.

3. Sprengseismik

Um die Schwierigkeiten bei der Bearbeitung von Beben zu überwinden, sollten Sprengungen benutzt werden. Die weit geringeren Energien forderten noch höhere Vergrösserungen der Seismographen. Die Seismographen mussten, um sie für die jeweiligen Probleme optimal einsetzen zu können, transportabel sein. Die Russregistrierung wurde durch eine optische mit Hilfe von fotografischer Aufzeichnung ersetzt. Es wurden Seismographen mit bis millionenfacher Vergrösserung gebaut. Nun waren Herdkoordinaten, Herdtiefe und Herdzeit bekannt. Die Sprengorte lagen durch die wenigen Steinbrüche fest. Für die jeweiligen Steinbrüche waren die Sprengladungen, bedingt durch die Höhe der abzubauenden Wand, konstant. In einem Rhythmus, der sich aus der Verarbeitung des bei einer Sprengung anfallenden Materials und der Vorbereitung der nächsten Sprengung ergab, erfolgten die Sprengungen etwa alle Jahre.

In Abb. 1 ist die Lage der Sprengorte angegeben. In den meisten Fäl-len wurde am Sprengort in Göttingen und an ein oder zwei Zwischenstationen beobachtet. Registrierungen mit einer Vielzahl von Registrierungen (Helgoland 24 transportable Stationen) wurden auf den ausgezogenen Profillinien durchgeführt.

Die meisten Sprengorte liegen südlich von Göttingen bis zu den Alpen. Jede sich bietende Gelegenheit, eine Sprengung zu beobachten, wurde genutzt.

Hierbei wurden die Sprengungen mit verschiedenen Apparatetypen registriert. Es konnte nachgewiesen werden, dass bei gleichem Sprengort und Beobachtungsort mit gleichen Seismographen identische Seismogramme aufgeschrieben wurden. Bei Seismographen mit unterschiedlicher Eigenfrequenz und dadurch unterschiedlicher Vergrösserung für die einzelnen Frequenzen liessen sich die Unterschiede in den Aufzeichnungen erklären. Alle diese Untersuchungen wurden ausschliesslich mit mechanischen Ge-räten durchgeführt. Diese Versuche zeigten, dass die Seismogramme reproduzierbar waren. Neben den Laufzeiten für Einsätze von Wellengruppen schien es möglich, wegen der Reproduzierbarkeit des Seismogramms Rückschlüsse auf den Entstehungsort, den durchlaufenden Wellenweg und Aufnahmeort aus den Frequenzen und Amplituden zu ziehen. Aus diesen Erkenntnissen ergaben sich die Arbeiten des Göttinger Geophysikalischen Instituts, in Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesellschaft für Bodenmechanik, die sich mit der Ausbreitung sinusförmiger Wellen befassten (Ramspeck u. Schulze, 1938; Hertwig, 1936; Reinhardt, 1954). Dieser Weg wurde gewählt, da in einem scharfen Impuls (Sprengung) viele Frequenzen enthalten sind. Die Kenntnis der Ausbreitungsgesetze einer sinusförmigen Welle erschien einfacher und wurde daher vorgezogen. Diese Arbeiten brachten Erkenntnisse über Geschwindigkeiten, Absorption, Dispersion, Eigenschwingungen des Bodens und vieles andere. Es waren Vorversuche für die Entzifferung eines Seismogrammes.

4. Die Laufzeitkurve

      Abb.2                   Abb.3                       Abb.5                           Abb.9
Die ersten Laufzeitkurven, die mit Hilfe von Sprengungen aufgestellt waren, wurden schon von Wiechert (1929) und von Brockamp u. Woelken (1929) in der Zeitschrift für Geophysik veröffentlicht. Die Laufzeitkurve wurde durch jede neu beobachtete Sprengung ergänzt. Es wurden longitudinale Wellen mit Geschwindigkeiten zwischen 5,4 und 6,9 km/sec mit den dazugehörigen transversalen Wellen beobachtet. An dieser Laufzeitkurve, die sich aus Beobachtungen aus den verschiedensten Richtungen zusammensetzte, liess sich nur grössenordnungsmässig feststellen, dass die ersten Einsätze durch eine einheitliche tiefere Schicht gelaufen waren. Der nächste Schritt war, eine Sprengung längs eines Profils zu beobachten. Hierzu bot sich die Gelegenheit bei der Helgoland-Sprengung. Es wurde auf drei verschiedenen Profilen nach Süden, Osten und nach Südosten, dem längsten Profil, beobachtet. Abb. 2 zeigt die Laufzeitkurven des Südostprofiles, ergänzt mit den Beobachtungen an den Erdbebenstationen Jena, Leipzig und Stuttgart. Die Krustendicke, die Tiefe einer Schicht, in der die Longitudinal-Wellen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 8,1 km/sec gelaufen waren, ergab sich zu 27 km. Hiermit war erstmalig der Anschluss an die Erdbebenseismik, bei der gleiche Geschwindigkeiten beobachtet waren, hergestellt. Mit Hilfe der reduzierten Laufzeitkurve (Abb. 3) war es möglich. Unterschiede auf den verschiedenen Profilen zu erkennen.

Als eine weitere Fernsprengung wurde vom Geophysikalischen Institut in Göttingen die Sprengung Haslach im Schwarzwald mitbeobachtet. Hier wurde ein Profil bis an die Alpen beobachtet.

5. Grösse der Bodenbewegung

   Abb.6             Abb.8
Bei der Betrachtung der Ladungen von 3 t - 4000 t an der Sprengstelle und den in den verschiedenen Entfernungen von 30 km bis einige 100 km Entfernung gemessenen Amplituden von 1/1000 mm zeigte sich, dass Wasser die beste Verdämmung liefert. Die Sprengungen in der Söse- und Möhnetalsperre (Abb. 4) im Gegensatz zu der Helgoland-Sprengung (Abb. 5) haben dieses bewiesen. Die gute Energieübertragung bei der Sprengung in Saarmund (Abb. 6) ist, ausser der Tatsache, dass sie im Moor gezündet wurde, auf die grosse Impulsfläche zurückzuführen. Hier wurden viele kleine, auf einer grossen Fläche untergebrachte Ladungen gleichzeitig gezündet.

6. Bodenbewegung an der Sprengstelle und am Beobachtungsort

Die Abb. 7 zeigt die Aufzeichnung einer Steinbruchsprengung Bransrode (Hoher Meissner) am 30.4.1938. Die Ladung der Kammersprengung betrug 3,3 t und die Entfernung der Beobachtungsstation Göttingen von der Sprengstelle 35,3 km. Der Vergleich des Schwingungsbildes zeigt, dass die Bewegung am Sprengort sich weitgehend über die 35,3 km erhalten hat. Das gleiche gilt für die Abb. 8, die die Registrierungen der Sprengung bei Saarmund am Sprengort und am Beobachtungsort Göttingen in 232 km Entfernung zeigt.

Bei der Sprengung "Saarmund" handelte es sich um die Absenkung eines über dem Moor aufgeschichteten Sandkörpers für den Autobahnbau des Zubringers Berlin. Durch viele kleine unterhalb des Sandkörpers im Moor untergebrachte Sprengladungen wurde das Moor bei der Sprengung seitlich herausgequetscht. Der Sandkörper wurde auf diese Weise bis zur Auflage auf die festeren Schichten abgesenkt. Die Registrierung am Sprengort gibt die Bewegung des Sandkörpers wieder, auf dem die Registrierung erfolgte.

7. Wellenarten

In Abb. 3 der Sprengungen in der Söse- und in der Möhnetalsperre zeigen die Seismogramme vorbildlich die Gliederung in longitudinale P-Wellen (von "primär"), transversale S-Wellen (von "sekundär") und L-Oberflächenwellen (von "Love"). Besonders zu erwähnen sind die langen Schwingungen von 1 sec bei den S- und L-Phasen. Das Auftreten von L-Wellen ist bei Sprengungen eine grosse Seltenheit und nur bei Sprengungen in Talsperren beobachtet worden. Eine schlüssige Erklärung für das Auftreten der Oberflächenwellen und der langen Perioden bei Sprengungen in Talsperren gibt es noch nicht.

Mit den hier geschilderten Arbeiten ist ein Anfang gemacht, die Gliederung der Kruste zu erforschen. Klare, eindeutige Einsätze auf Profilen in den verschiedenen Gegenden werden uns in der Kenntnis der Kruste weiterbringen. Bei der Betrachtung der Bodenbewegung von der Sprengung auf Helgoland in Göttingen, die über 3 Minuten dauerte, sieht man deutlich, dass der kleinste Teil die Ankunftszeiten der verschieden gelaufenen Wellen sind. Weit mehr ist im gesamten Schwingungsbild eines Seismogramms enthalten. Die Reproduzierbarkeit ermutigt uns, zu versuchen, das gesamte Seismogramm zu entziffern. Jede Schwingung, jede Zacke gibt Auskunft über Herd, Weg und Beobachtungsort. Es ist noch ein langer Weg, bis dieses Ziel erreicht sein wird. Das Arbeitsziel ist durch den Spruch über dem Göttinger Erdbebenhaus abgesteckt:

"Ferne Kunde bringt Dir der schwankende Fels, deute die Zeichen."

Literatur
Angenheister, G.: Boden- und Gebäudeschwingungen. Berichtsheft der Schwingungstagung des Vereins deutsch. Ing. in Berlin, 9-19, 1938.
Brockamp, B.: Seismische Untersuchungen bei Steinbruchsprengungen. Z. Geophys. 7, 295-302 (1931).
Brockamp, B., Woelken, K.: Bemerkungen zu den Beobachtungen bei Steinbruchsprengungen. Z. Geophys. 5, 163-171 (1929).
Förtsch, O., Schulze, G.A.: Seismik der Fernsprengungen. Naturforschung und Medizin in Deutschland 1939-1946, 18, 44-51 (1948).
Hertwig, A.: Die Anwendung dynamischer Baugrunduntersuchungen. Mitteilungen über gemeinsame Arbeiten der Degebo und des Geophysikal. Instituts der Universität Göttingen, Veröff. Inst. Dtsch. Forsch. Ges. Bodenmechanik (Degebo), Heft 4, S. 1-38. Berlin: Julius Springer 1936.
Ramspeck, A., Schulze, G.A.: Dispersion elastischer Wellen im Boden. Veröff. Inst. Dtsch. Forsch. Ges. Bodenmechanik (Degebo), Heft 6, S. 1-27. Berlin: Julius Springer 1938.
Reinhardt, H.G.: Steinbruchsprengungen zur Erforschung des tieferen Untergrundes. Freiberger Forschungsh. C 15, 9-91 (1954).
Schulze, G.A.: Seismische Auswertung der Sprengung Helgolands. Erdöl und Tektonik, Amt f. Bodenforschung Hannover-Celle, 282-285, 1949.
Schulze, G.A., Förtsch, O.: Die seismischen Beobachtungen bei der Sprengung auf Helgoland am 18. April 1947 zur Erforschung des tieferen Untergrundes. Geol. Jahrb. 64, 204-242 (1950).
Wiechert, E.: Untersuchungen der Erdrinde mit dem Seismometer unter Benutzung künstlicher Erdbeben. Nachr. Ges. Wiss. Göttingen, Math.-phys. Kl. 1, 1-14 (1923).
Wiechert, E.: Untersuchung der Erdrinde mit Hilfe von Sprengungen. Geol. Rundschau 17, 339-346 (1926).
Wiechert, E.: Seismische Beobachtungen von Steinbruchsprengungen. Z. Geophys. 5, 159-162 (1929).