Erdbohrungen schützen vor seismischen Wellen

Mit künstlichen Strukturen, sogenannten Metamaterialien, lassen sich Schall- und Lichtwellen bereits gezielt steuern. Nach einem ähnlichen Prinzip wollen Forscher nun auch seismische Wellen innerhalb der Erdoberfläche abfedern – und daraus einen neuartigen Schutz vor Erdbeben entwickeln. Ein Team um Stéphane Brûlé von der Firma Ménard im französischen Nozay hat jetzt erstmals einen groß angelegten Test durchgeführt – mit Erfolg. Eine bestimmte Anordnung von Bohrlöchern dämpfte die Intensität einer nachgestellten Oberflächenwelle bis auf die Hälfte. Von ihren Ergebnissen berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Im oberen Bild wird der experimentelle Aufbau des Feldtests gezeigt: Links ein Kran, an dem eine unterirdische Schallquelle hängt. Rechts Bohrlöcher im Erdboden in einem bestimmten Abstand zueinander. Die Sensoren liegen zwischen den Bohrlöchern und sind durch umgekehrte Dreiecke symbolisiert. Darunter eine Karte des Erdbodens, auf der ringförmige Flächen in gleicher Farbe die gleichen Intensitäten der seismischen Wellen darstellen. Die Schallquelle befindet sich unten rechts im Bild und ist durch ein Kreuz markiert. Um sie herum wölbt sich ein kreisähnlicher Bereich mit doppelter Wellenintensität; etwa zwei Reihen davon entfernt beginnt ein Ring mit halber Intensität. Die in einem Gitternetz angeordneten Bohrlöcher sind auf der Karte durch helle Kreise, die Sensoren durch schwarze Rechtecke dargestellt.
Feldtest für seismische Metamaterialien

Brûlé und seine Kollegen bohrten in regelmäßigen Abständen von genau 1,73 Metern zylinderförmige Löcher in die oberste Bodenschicht, jeweils fünf Meter tief und mit einem Durchmesser von 32 Zentimetern. Etwa anderthalb Meter entfernt hängten die Forscher eine unterirdische Schallquelle an einen Kran, die einen tiefen Brummton mit einer Frequenz von 50 Hertz von sich gab. Mithilfe seismischer Sensoren verglichen die Wissenschaftler dann die Intensität der Schallwellen im Erdboden vor und nach dem Bohren der Löcher.

Die Messungen zeigen, dass das vorausberechnete Bohrlochmuster die seismischen Wellen reflektiert: Ihre Intensität verringerte sich zwei Reihen von der Schallquelle entfernt auf die Hälfte, nahe der Quelle hingegen verdoppelte sie sich. Ein Teil der Schwingungsenergie wurde also von den Bohrlöchern zurückgeworfen. Dabei reflektiert jedes einzelne Bohrloch die ankommende seismische Welle. Da alle Bohrlöcher zusammen eine regelmäßige Gitterstruktur bilden, überlagern sich die gestreuten Wellen und löschen sich entlang bestimmter Richtungen aus – ein Vorgang, der als destruktive Interferenz bezeichnet wird.

Bei Erdbeben entstehen an den Scherungszonen tief unter der Erdoberfläche seismische Wellen. Wenn diese Untergrundwellen nach oben gelangen, wird ein Teil ihrer Bewegungsenergie in Wellen umgesetzt, die sich an der Erdoberfläche ausbreiten. Diese Oberflächenwellen können besonders verheerende Schäden anrichten. Ihre Frequenz liegt meist im Bereich von weniger als einem Hertz bis zu einigen Dutzend Hertz. Das Experiment verspricht einen neuen Ansatz für den Schutz vor Erdbeben, ist jedoch zunächst auf eine bestimmte Richtung und eine definierte Frequenz der seismischen Oberflächenwellen beschränkt. In optischen Metamaterialien lässt sich bereits ein breiterer Frequenzbereich abdecken, unabhängig von der Richtung des einfallenden Lichts. Die Geowissenschaftler hoffen, dies auch auf seismische Wellen übertragen zu können, um Erdbeben an ausgewählten Orten gezielt zu dämpfen.