Vorlesung (PDF) - NGW

Aktuelles aus der Erdbebenforschung 

Prof. Eduard Kissling 

Institut für Geophysik 

ETH Zürich 

Naturwissenschaftliche Gesellschaft Winterthur, 13. Jan. 2012

Mexico: El Diablo, ein Gott der Inkas, machte einen 

riesigen Riss im Boden, den er und seine Freunde als 

Abkürzung benutzen. 

Ostafrika: Ein riesiger Fisch trägt einen 

Stein auf dem Rücken. Eine Kuh steht auf 

dem Stein und trägt die Erde auf einem 

ihrer Hörner. Wenn ihr der Nacken weh tut, 

wirft sie die Erde von einem Horn auf das 

anders – und das sind die Erdbeben. 

NGW Winterthur 13.1.2012 2

Später: Erdbeben = göttliche Strafe 

1356 Basel 

Aus den politischen und wissenschaftlichen 

Diskussionen nach dem Erdbeben und Tsunami 

von Lissabon entwickelte sich die Seismologie. 

1755 Lissabon 


Inhalt der Präsentation 

Warum und wie Erdbeben entstehen 

(Plattentektonik) 

Tektonik des Alpengebietes und Bedeutung für die Seismizität in der Schweiz 

(Gebirgsbildung an alter Plattengrenze) 

Wie laufen Erdbeben ab? Erdbebenprozesse und ihre Folgen 

Primäre und sekundäre Folgen (Tsunami) 

Induzierte Seismizität (by nature & by humans) 

Welche Art von Voraussagen sind 

möglich und was können wir tun? 

Erfassung und Kommunikation von seismischer Gefährdung und Erdbebenrisiko 

Grenzen des Wissens & Frühwarnsysteme für Erdbeben und ihr potentieller Nutzen 


Wir leben auf der äusseren Schale eines flüssigen Planeten 

Lithosphäre 

Lithosphäre ist in Platten zerbrochen 

Unterschied zwischen kontinentaler und ozeanischer Lithosphäre besteht 

nur in der Art und Mächtigkeit der Kruste. 

Kontinentale Lithosphäre ist leichter als der darunterliegende flüssige Mantel 

wegen der wenig dichten (kont.) Kruste. 

Lava Platten auf Magma-See 

Abgekühlte ozeanische 

Lithosphäre (wie Lava- 

Platten) ist dichter als der 

flüssige unterliegende 

Mantel (wie der Magmasee) 

=> ozean. Lithosphäre kann versinken! 


Wie ein Ozean entsteht und 

grösser wird 

A continent is broken up 

Mittelozeanischer 

Rücken (MOR) in 

Island 

Iceland 

A rift zone develops, as f.e. the 

Rhinegraben in Europe 

As the two continents 

further rift apart, 

MOR is created 

(Red Sea) 

Öffnen des Nordatlantiks 

mit etwa 4cm/Jahr 

(=>4000km/100MioJahre) 

MOR 

Mature ocean further opens 

f.e. Indian ocean 

Süd- Atlantischer 

Ozeanboden 


Ozeane werden geschlossen durch 

Subduktion der ozean. Lithosphäre 

Position der Kontinente 

während letzten 400 Mio. Jahre 

Kontinentaldrift ist eine Konsequenz des 

Öffnen und Schliessen von Ozeanen 


Wie wir den Ozeanboden kartieren können 


Wie wir den Ozeanboden kartieren können 


Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale 

Ozean. Lithosphäre 

max. 185 Mio Jahre 

Subduktion 

MOR 

(kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein) 


Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale 

Ozean. Lithosphäre 

max. 185 Mio Jahre 

Subduktion 

MOR 

=> Recycling von ozean. 

Lithosphäre 

(kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein) 


3 Arten von Plattengrenzen 

Erdbebenverteilung entlang dieser P-Grenzen 

(nicht gezeigt für Subduktionszone) 

San Andreas 

Bruchsystem 

Mittelozean. Rücken (MOR) 

1 

Alpen, Anden, 

Subduktionszonen 

2 

3 

4 


Bewegung der Lithosphärenplatten bewirkt tektonische 

Spannungen, welche sich in Erdbeben entladen 

(& Verformungen der Lithosphäre) 

6) und historische Beben 

Erdbeben entstehen primär an Plattengrenzen! 


Grosse Erdbeben entstehen regelmässig wegen 

der Plattentektonik 

(und Millionen von 

mittelgrossen und 

kleinen Beben dazu) 

Sumatra M9.1 Erdbeben war 3. stärkstes seit 1900 

Tohoku M9 Erdbeben war 4. stärkstes seit1900 


Viele Beben – keine Vorhersagen 

! 1985 Mexico City 

! 1989 Loma Prieta, Kalifornien 

! 1994 Northridge, Kalifornien 

! 1995 Kobe, Japan 

! 1999 Izmit, Turkei 

! 1999 Chi Chi,Taiwan 

! 2001 Indien 

! 2003 Iran 

! 2004 Sumatra 

! 2010 Haiti 

! 2011 Tohoku 


Erdbeben: 

Voraussagen für 

Erdbeben sind heute nicht möglich! 

Magnitude+Uhrzeit bis heute nicht möglich 

(möglich deshalb sind kennzeichnen gefährderter 

Gebiete und Vorsorge) 

Tsunami: 

Long term 

Hazard mapping 

Vulkanausbrüche: 

VORSORGE! 

Grösse+Uhrzeit möglich, Warnzeiten von 

wenigen Minuten bis mehrere Stunden 

Long term 

(bei Kurzzeitwarnungen Trefferquote 50%) 

forecasting 

Short term 

Grösstmögliche forecasting Gefahren mit Warnzeiten 

Early 

von Tagen möglich 

warning 

(Trefferquote exakte Voraussage gering, 

Erfolgsquote und Akzeptanz sehr hoch) Time 

decades years days seconds 


Japan’s Erdbeben-”Frühwarn-System” 

Nuclear Powers Plant (NPP) receive warning to shut down reactors 

shut down complete 

=> funktioniert gut 

Erdbeben-VORSORGE ist viel mehr! 


VORSORGE: 

Wozu Erfassung Seismischer Gefährdung? 

=> Richtlinien für erdbebensicheres Bauen 

primäre und sekundäre 

Effekte von Erdbeben 

z.B. Verschiebung entlang 

Bruchfläche bei 1906 San 

Francisco Erdbeben 

Prozesse im Quellgebiet 

Kirche in Armenien nach 1988 Erdbeben 

Effekte von seismischen Wellen 

Weitere Beispiele: Hangrutsch, Tsunami 


Richtlinien für Infrastuktur und Gebäude in 

Erdbeben- und in Tsunami- Gebieten 

VORSORGE! 

Courtesy S. Hettiarachchi 


VORSORGE: 

Bestimmung der Erdbebengefährdung eines Gebietes 

Schritte zur Berechnung der Erdbebengefährdung 

Erdbebenkatalog 

Lokale und Plattentektonik 

Seismische Aktivitätsrate 

Abminderung der 

Wellenstärke mit 

Distanz 

Lokale Untergrundeffekte 

Gefährdung: Stärke der 

Bodenbewegung mit 10% 

Wahrscheinlichkeit in 50 Jahren 


Instrumentell gemessene Seismizität in der Schweiz 

Korreliert mit Tektonik 

der Alpen! 

Schweizerischer Erdbebendienst 


Was wissen wir über die 

Erdbeben früherer 

Jahrhunderte? 

Basel 1356 

Sierre, 25.1.1946 M6.1 

⇒ Historische 

Seismizität 


Kartieren der Intensität (Effekt des Bebens) und 

Vergleich mit instrumentell bestimmter Magnitude 

NGW Winterthur 13.1.2012 24 

24

Historische Beben: Intensität-Skala I bis XII 

(Kartierung des Schadensbildes => Ort und Stärke des Bebens) 

1356, M6.9, Basel 1855, M6.4, Visp 


Max. Intensität (Magnitude) der Beben in der Schweiz 

während vergangenen 1000 Jahren 


Erdbebenkatalog der letzten 1000 Jahre für die Schweiz 


Seismische Gefährdung 

(seismic hazard) 

Seismic hazard bei AKW (Fukushima) 

Gleicher seismic hazard hat andere Bedeutung für 

einsamen Ort in Wüste oder in einer Stadt und für 

ein EFH oder eine chemische Fabrikanlage! 

und im 53km-NEAT Tunnel 


28

Seismische Gefährdung kritischer Infrastruktur 

Frühwarnung Seismik & Tsunami und Abschaltung der AKW 

AKW Fukushima I 

Häfen & 

Bevölkerungszentren 

M9.0 Tohoku-Erdeben vom 11.März 2011 


Japan März 2011: Erdbeben – Tsunami – AKW Fukushima 

AKW’s in Japan 

AKW’s weltweit sind seismisch 

stärker gefährdet durch lokale 

M6 Erdbeben als durch 

Subduktionsbeben! 

Alle AKW’s in Japan sind 

mehrfach korrekt 

“abgeschaltet” worden vor 

der Ankunft gefährlicher 

seismischer Wellen! 

M6 

M9 

Beim AKW Fukushima 

begannen die Probleme mit 

dem Tsunami! 


Japan März 2011: Erdbeben – Tsunami – AKW Fukushima 

AKW’s in Japan 

AKW’s weltweit sind seismisch 

stärker gefährdet durch lokale 

M6 Erdbeben als durch 

Subduktionsbeben! 

Alle AKW’s in Japan sind 

mehrfach korrekt 

“abgeschaltet” worden vor 

der Ankunft gefährlicher 

seismischer Wellen! 

M6 

M9 

Beim AKW Fukushima 

begannen die Probleme mit 

dem Tsunami! 


Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch 

Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I 

Nach Abschaltung produziert ein Reaktor weiter 5% der 

thermischen Leistung, langsam abklingend auf 1% über 

nächste 14 -20 Tage. 

Tsunami zerstörte den ungeschützten Diesel Tank in Fukushima I => 

Reaktoren hatten noch Diesel für Kühlung von nur ½ Tag 


32

Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch 

Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I 

Überhitzung des Reaktors führt zur Separation von Wasser in 

Sauerstoff und Wasserstoff. 

Wasserstoff wird aus Reaktor ins Containment abgelassen. 

Explosion von Wasserstoff zerstört Betoncontainment. 

Weitere Überhitzung führt zur Kernschmelze im Reaktor. 

Feuer und Lecke in Reaktormantel verteilen Radioaktvität in 

die Umwelt. 

Tsunami zerstörte den ungeschützten Diesel Tank in Fukushima I => 

Reaktoren hatten noch Diesel für Kühlung von nur ½ Tag 


33

AKW Fukushima I: 

- Sehr gute Vorsorge (Baunormen) für Subduktionsbeben 

- Automatische Abschaltung bei nahen Beben M6-7 (noch?) nicht 

möglich – dies sind auch die gefährlichsten Beben bei uns. 

- Tsunami-Vorsorge der AKW in Japan z.T. gut, teilweise unverantwortlich 

schlecht (Fukushima). 

- Kühlungsbedarf und Wahrscheinlichkeit sowie Folgen eines 

Ausfalls der Energieversorgung wurden (weltweit) unterschätzt. 

- Schwierigkeit der Bewältigung eines Störfalls stark unterschätzt. 

- Die Folgen des AKW-Unglücks werden noch Jahre spürbar sein. 

edelweiss air Zürich-Flughafen 1.6.2011 NGW Winterthur 13.1.2012 E. Kissling 34

Seismische Gefährdung ist durch Erde/Plattentektonik gegeben. 

Seismisches Risiko, weitgehend human-made! 

Seismische 

Gefährdung 

Lokaler 

Bauuntergrund 

Wert und Risiken im 

Gebiet 

Verwundbarkeit 

Seismisches Risiko 

Unter Ausschluss von AKW: 

seismic risk is dominated by economic value and is 

concentrated in urban areas 


VORSORGE: 

(Unter Ausschluss von Atomkraftwerken) 

M9-Erdbeben und Nachbeben: 

- beispielhaft gute Vorsorge und Warnungen der Bevölkerung in Japan 

- Wir in der Schweiz (wie an fast allen anderen Orten) haben grossen 

Nachholbedarf. Auch Beben von Magn. 6-7 könnten riesige Schäden 

(vgl. Christchurch) bewirken, wenn wir nicht gut darauf vorbereitet sind. 

Tsunami: 

- Japan ist gut vorbereitet, prima Warnung und mehrheitlich gute 

Reaktion der Bevölkerung. Bauliche Massnahmen (teuer) könnten 

noch stark verbessert werden. 

- Wir in der Schweiz haben keine grossen Tsunami’s, allenfalls in Seen. 

Allerdings halten wir uns oft in Regionen mit grosser Tsunami- 

Gefährdung auf. 


Neuer Alpen Tunnel NEAT 53km 

2. Beispiel Kritische Infrastruktur 


37


Herausforderungen beim Bau des Gotthard Basistunnels 

Hohe Temperaturen, Wasser und Konsequenzen für 

Grundwassersystem (=> Staudämme), Geologie, Bergschläge 

und Mikrobeben & extreme Tunnel-Deformationen 


38


Viele und sehr starke Bergschläge in der MFS Faido 

Warum diese starken Bergschläge? 

Gibt Tunnelabschnitte grösserer Gefahr? 

Können wir Bergschläge voraussagen? 

Effekt eines starken Bergschlag vom 

Boden her 

Können wir Bergschläge abwenden? 

Techn. Vorsorge während Konstruktion? 

Langzeitgefahr für Tunnel nach 

Fertigstellung? 


? SEHR starke Bergschläge Mikrobeben? 


Keine seismische Aktivität in Region vor Beginn der 

Arbeiten in der MFS Faido im 2002 

2002 - 2005 

Fusio 

Fusio 

1975 - 2001 

Erdbebenverteilung 1975 - 2001 

=> Installation des Lokalen Netzes Faido Mar2006 (blaue Dreiecke) 


Micro-Seismizität Faido 2005-2007 

Earlyer hypocenters poorly 

located, most probably in same 

location as later quakes 

seismicity 

2005.10 to 2007.04 

Using 3D local 

velocity model 

extablished with 

registring explosion 

GAP < 160 Grad 

Hauptachse der 

Fehlerellipse < 1 km 


Genaue Lokalisierung für Beben-Cluster 11 (incl. Mag2.4 event) 

P 

S 

subcluster 0 

subcluster 1 

subcluster 2 

=> Hypozentren < 250m Distanz vom Tunnel 

subcluster 3 

cluster 11 

Subcluster grouping and distance from tunnel by using S-P times! 


Verzögert nach Bauende klingt die Seismizität ab 

110 Mikroerdbeben total 

2006 2007 

Excavation work stops 

October 2006 

2006 

2007 


Zusammenfassung der Beobachtungen 

Wir wissen: 

Mikrobeben finden in Schwärmen an einem sub-vertikalen 

Bruchsystem statt, dieses ist sub-parallel zu einem im 

Tunnel, jedoch ca. 200m im NE. 


Ein Versuch den beobachteten Prozess zu verstehen 

1 2 3 4 


45


conclusions 

- Analysis of rock bursts and micro-eqs helped to establish 

precautionary procedures to prevent accidents during construction 

- Understanding of tectonic process allows mitigation measures for 

later train operation in tunnel 

- Significant tectonic forces are present at shallow crustal depth 

also in region of very low seismicity 

- Seismic activity may be triggered by relatively “small” human-made 

or natural effects. 

- Rock rheology/mechanics at 2km depth is surprisingly different 

(known to mining industry before but new for transportation tunnels) 


46

Das Erdbeben Risiko 

Hohes Risiko: Ein grosses Beben, weicher Untergrund, 

viele Menschen, in schlecht gebauten Häusern. 


Grosse Erdbeben auch in der Schweiz? Ja! 

Zehntausende Gebäude 

müssten abgerissen werden, 

oder wären sehr stark 

beschädigt. 

Allein die direkten Kosten der 

Schäden an Wohnhäusern 

würde 30-60 Milliarden Franken 

betragen. 


Der Untergrund in der Schweiz 

Harte 

Böden 

Weiche 

Böden 


Seismisches Risiko wird primär von uns bestimmt! 



" Seismisches Bessere Wissenschaft Risiko wird würde primär natürlich von helfen. uns bestimmt! Allerdings ist es 

überhaupt nicht klar, inwiefern der Erdbebenprozess besser 

vorhersagbar ist. 


" Bessere Kommunikation: 

" Experten müssen die Grenzen ihres Wissens klar darstellen 

und sich nicht drängen lassen mehr zu sagen. 

" Experten müssen konsensorientiert ‚common ground‘ finden, 

und das unisono kommunizieren. 

Vorsorge: 

Einführen verbesserter Bauvorschriften 

SIA261 

Training der Reaktion auf Erdbeben 


Wir müssen lernen besser umzugehen mit den Prozessen der 

Plattentektonik, welche sich in vielen wunderschönen Dingen (z.B. 

Alpen) ausdrücken und die auf unserem Planeten Leben 

ermöglichen 

aber auch zu 

Erdbeben 

& deren Folgeeffekten führen. 

Erdbeben-VORSORGE, weil wir die seismische 

Gefährdung zum Risiko machen! 

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 


Expected future large earthquakes 

Earthquake prediction is not yet possible, but the attention is concentrated on 

key hotspots, identified as seismic gaps (Costarica, Nankai, Peru, California, 

Aleutians, Cascadia) or triggered by recent large earthquakes (SE Sumatra, 

Burma and Assam after the 2004 Andaman Sea event; Tokai after the 2011 

Tohoku event) 


53

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