On the resonance effects of strong earthquakes and their consideration in the intensity scales

Summary

In the epicentral area of an earthquake with the focus within the upper crust the rocking is irregular and therefore resonance effects are lacking, but far off the hypocentre, where theSg maximum waves are nearly sinusoidal, thin layers of soil and/or buildings with an appropriate natural period react with resonance oscillations, by which the local macroseismic intensity is increased by ΔI (^oMSK or MM). The resonance frequencies — functions of magnitude and hypocentral distance — mostly range from 0.5 to 2 Hz. The increase of intensity can be assessed by the aid of the formula ΔI=0.28M _s+0.4, found by the author (M _s=surface wave magnitude). Hence, in case of an earthquake withM _s=4.0 (7.0) the marginal increase of intensity by resonance amounts to 1.5° (2.4°) MSK or MM. This implies, e. g., that many earthquakes perceived in tall buildings and considered asI=II^o has to be classified asI=I^c correctly, and the ringing of small bells or the stopping of pendulum clocks in the outskirts of the shaken area of a strong earthquake corresponds toI=III^o (−IV^o), and not toI=V^o (−VI^o). A valuation of such intensities by the aid of the usual macroseismic scales is not possible, and therefore these scales are to be supplemented in an appropriate way.

Zusammenfassung

Die Maximalwellen energiereicher Erdbeben mit Herd in der oberen Kruste rufen im äußeren Schütterbereich häufig Resonanzeffekte hervor, die eine örtliche Steigerung der Bebenintensität zur Folge haben. Eine Bewertung solcher Intensitäten nach den gebräuchlichen makroseismischen Skalen ist derzeit nicht möglich. Geht man davon aus, daß die primären Bebenwirkungen an der Erdoberfläche eine Folge der vom Bebenherd abgestrahlten Schwingungsenergie sind und daß die makroseismische IntensitätI (^oMSK oder MM) ein logarithmisches Maß für die Bebenwirkungen ist, dann gilt offenbarI=log₁₀ E+const, wennE die örtliche Energiestromdichte (Flächendichte der seismischen Energie) ist. Während im Epizentralbereich wegen der Unregelmäßigkeit der Erdstöße ausgeprägte Resonanzeffekte fehlen, muß man in herdfernen Gebieten, wo die Sg-Maximalwellen des Bebens schon weitgehend harmonisch sind, bei schwingungsanfälligen dünnen Bodenschichten und/oder Bauwerken mit entsprechender Eigenperiode Resonanzschwingungen erwarten, die eine Anhebung der lokalen Bebenintensität um ΔI (^oMSK oder MM) bewirken. Mit Hilfe von empirischen Näherungsformeln kann man zu einer Abschätzung dieser Intensitätssteigerung kommen. Sie beträgt ΔI=0,28M _s+0,4, mitM _s als Oberflächenwellen-Magnitude. Die von der Epizentraldistanz und Magnitude abhängigen Resonanzfrequenzen liegen in der Regel zwischen 0,5 und 2 Hz. Die denkbare Intensitätssteigerung durch Resonanz im Falle eines Bebens der Magnitude 4,0 (7,0) liegt bei 1,5° (2,4°) MSK oder MM. Daraus folgt z. B., daß viele der in Hochhäusern bemerkten und mitI=II^o bewerteten Beben eigentlich mitI=I^o zu klassifizieren sind und daß das Anschlagen kleiner Glocken oder das Stehenbleiben von Pendeluhren am Rande des Schüttergebietes eines energiereichen Bebens nichtI=V^o (−VI^o), sondernI=III^o (−IV^o) entspricht. Die 12teiligen makroseismischen Skalen sind daher in entsprechender Weise zu ergänzen.