Department 5 Geoengineering - GFZ - GeoForschungsZentrum ...

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(2006): Department 5, Geoengineering 

Zweijahresbericht 2004/2005, Geoforschungszentrum, 373-405.

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Zusammenbau des Bohrlochkopfes für das moderate Injektionsexperiment im Dezember 2004 in der Geothermie-Forschungsbohrung 

Groß Schönebeck 3/90 (Foto: M. Poser, GFZ). 

Setup of the well head to be used for the injection experiment in the research borehole Groß Schönebeck 3/90. 

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

Department 5 

Geoengineering 

Die Arbeiten des Departments 5 „Geoengineering“ tragen 

zu einem nachhaltigen Umgang mit dem Lebensraum 

Erde bei. Dies betrifft besonders die Themenfelder Gestaltung, 

Sicherung und Nutzung der Erdoberfläche und 

des Untergrundes als Verkehrs- und Wirtschaftsraum (Sektion 

5.1 „Umweltgeotechnik“), die Gewinnung erneuerbarer 

Energien aus Erdwärme (Sektion 5.2 „Geothermie“) 

sowie die Vorsorge vor Georisiken (Sektion 5.3 „Ingenieurseismologie“und 

Sektion 5.4 „Ingenieurhydrologie“). 

Umweltgeotechnik 

In der Sektion „Umweltgeotechnik“ werden Forschungsarbeiten 

zu Entwicklung und Einsatz von Monitortechnologien 

und Sicherheitsmethoden für das Geo- und Reservoir-Engineering 

durchgeführt. Diese konzentrierten sich 

in der Berichtsperiode 2004/2005 auf die geologische 

Speicherung von Kohlendioxid (CO 2), auf die unterirdische 

seismische Vorauserkundung beim Tunnelbau sowie 

auf das ingenieur-geophysikalische Monitoring von Deichen 

bei Hochwasser. 

Geologische Speicherung von CO 2 

In Deutschland decken Öl, Gas und Kohle heute fast 85 % 

des Energiebedarfs. Hierbei werden jährlich ca. 850 Millionen 

Tonnen CO 2 durch die Verbrennung fossiler Energierohstoffe 

in die Atmosphäre emittiert. Eine erfolgversprechende 

Möglichkeit zur Reduktion dieser Emissionen 

ist CCS Carbon Capture and Storage, die Abtrennung des 

CO 2 vor oder nach der Verbrennung und seine Einlagerung 

in tiefe Grundwasserspeicher (saline Aquifere) oder 

ausgeförderte Öl- und Gaslagerstätten (Borm, G. und Förster, 

A., 2005). 

Mehrere Gemeinschaftsprojekte wurden von der EU europaweit 

und in Deutschland sowohl vom Bundesministerium 

für Wirtschaft und Technologie BMWi als auch vom 

Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF 

gestartet, um die Abtrennung des CO 2 aus Verbrennungsprozessen 

und die Möglichkeit seiner Rückführung in den 

geologischen Untergrund zu erforschen. 

Integriertes EU-Projekt CO 2SINK 

In ihrem 6. Forschungsrahmenprogramm fördert die Europäische 

Union das integrierte Projekt CO 2SINK (CO 2 Storage 

by Injection Into the Natural Reservoir Ketzin, 

http://www.co2sink.org), das vom GeoForschungsZentrum 

Potsdam koordiniert wird. Europaweit ist es das erste 

Projekt auf dem Festland zur umfassenden Erforschung 

der geologischen Speicherung von CO 2. Im Zentrum der 

wissenschaftlichen Untersuchungen stehen die Erschließung 

des Speichers, die Einbringung des CO 2 und die 

Beobachtung und Kontrolle der chemischen und physikalischen 

Prozesse im unterirdischen Reservoir. Weitere 

Ziele sind Erstellung und Test numerischer Modelle, Entwicklung 

von Risikobewertungsstrategien und öffentliche 

Akzeptanz. 

CO 2SINK startete am 01. 04. 2004 und hat eine Laufzeit 

von fünf Jahren. Darin wird eine Pilotanlage zur unterirdischen 

Speicherung von CO 2 in einem tiefen salinen 

Aquifer im brandenburgischen Ketzin (Abb. 5.1) vorbereitet. 

Der Speicherhorizont befindet sich in über 700 m 

Tiefe und ist nach oben durch undurchlässigen Tonstein 

abgedichtet. In Kooperation mit 15 universitären und industriellen 

Partnern aus 8 Ländern wurden geologische, 

geochemische und geophysikalische Voruntersuchungen 

des geplanten Speicherstandortes durchgeführt (CO 2SINK, 

2005). 

Der geplante Geospeicher liegt nahe der Stadt Ketzin im 

Havelland, etwa 30 Kilometer westlich von Berlin. Der 

Injektionsort ist die Obertageanlage des ehemaligen Erdgasspeichers 

der Verbundnetz Gas AG in Ketzin. Dieser 

hat gegenüber anderen Lokationen erhebliche Vorteile: 

Die vorhandene Infrastruktur an der Erdoberfläche kann 

für das Projekt genutzt werden und reduziert so die Entwicklungskosten 

für den Speicherplatz. Die Geologie der 

Struktur ist gut bekannt und repräsentativ für weite Teile 

Europas, was die Übertragbarkeit der Ergebnisse wesentlich 

erleichtert. Die lokale Politik unterstützt das Projekt, 

und die Genehmigungsbehörden sind direkt in die Projektvorbereitung 

eingebunden (Abb. 5.2). 

Die Speicherung von CO 2 soll auf dem östlichen Strukturteil 

der aufgewölbten Doppelstruktur (Doppelantiklinale) 

Roskow-Ketzin erfolgen (Abb. 5.3). Darin strömt 

das Gas durch Auftrieb in Richtung Kuppe und reichert 

sich dort an. Durch die Gasinjektion wird ein Teil des 

Porenwassers im Gestein verdrängt. Längerfristig wird 

Abb. 5.1: CO 2SINK-Projekt, Speicherstandort Ketzin 

(Foto: VNG). 

Project CO 2SINK, aerial view of the Ketzin site. 

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam 

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Abb. 5.2: Bohrturm an der Lokation Ketzin (Foto: L. Wohlgemuth, 

GFZ). 

Drill rig at the Ketzin site. 

Abb. 5.3: Karte der Roskow-Ketzin-Doppelstruktur mit Detailkarte Topbereich 

Ketzin-Antiklinale. Dargestellt sind die Tiefenlage des seismischen 

Reflektors K2 (etwa 80 m oberhalb der Stuttgart-Formation) und die Lage 

des CO 2SINK-Bohrplatzes (gelber Punkt). Die Detailkarte zeigt die Erstreckung 

der 3D-Seismik und die Oberflächenmessstationen zur Erfassung der 

natürlichen CO 2-Flusses (grüne Dreiecke). 

Map of the Roskow-Ketzin double anticline with detail of the top of the Ketzin 

Anticline. The location of the CO 2SINK drill-site (yellow dot) and the 

isobaths of the seismic reflector K2 are shown (about 80 m above the Stuttgart 

formation). The detail map depicts the area of the 3D-seismic survey 

as well as the surface stations to monitor the natural CO 2 flux (green triangles). 

sich ein Teil des CO 2 im Wasser lösen. Zur Abschätzung 

der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der räumlichen 

Ausdehnung des CO 2 werden auch numerische Modelle 

entwickelt, die zur Optimierung des Injektionsprozesses, 

des Monitoringkonzeptes und zur Prognose des Langzeitverhaltens 

eingesetzt werden. Die Kalibrierung und 

Verifizierung der Modelle erfolgt mit Hilfe von Laboruntersuchungen 

und In-Situ-Messungen im Untergrund. 

Sie bilden die Basis für die Abschätzung des Risikos einer 

Leckage. 

Um die Ausbreitung des CO 2 im Untergrund zu beobachten, 

werden neben einer Injektionsbohrung zwei Beobachtungsbohrungen 

niedergebracht, die für geochemische 

Untersuchungen, seismische Durchschallungs-Messungen 

und zur Durchführung geoelektrischer Tomographie 

genutzt werden. Die Messungen werden vor, während und 

nach der Injektion in Zeitabständen wiederholt, die methodenabhängig 

sind (sogenannte time-lapse-Messungen). 

Die Kombination seismischer und elektrischer time-lapse- 

Methoden ermöglicht die Erfassung von zeitlichen Entwicklungen 

des Reservoirs – z. B. der Verteilung der CO 2- 

Sättigung – auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen. 

Seit April 2004 werden am Standort kontinuierliche Oberflächenmessungen 

zur Erfassung des natürlichen CO 2- 

Flusses oberhalb des vorgesehenen Untergrundspeichers 

durchgeführt. Um die Ausgangssituation vor Beginn der 

CO 2-Injektion zu erfassen und zusätzliche Informationen 

über die Struktur des Untergrundes zu 

erhalten, wurde im Herbst 2005 eine seismische 

3D-Erkundung (Abb. 5.4) durchgeführt 

(„baseline“), die derzeit ausgewertet 

wird. 

Bei der Evaluierung des ersten Projektjahres 

am 01. 06. 2005 bestätigten die Gutachter 

der EU, dass CO 2SINK seine Ziele 

im gesetzten Zeit- und Kostenrahmen 

erfüllen kann und ohne Abstriche weiter 

gefördert werden soll. 

CO 2SINK ist auch ein CSLF-Projekt 

(„International Carbon Sequestration 

Leadership Forum“, http://www.cslforum.org). 

Das Testgelände in der Nähe der 

Hauptstadt Berlin bietet die einzigartige 

Möglichkeit, ein Pilotprojekt zur Speicherung 

von CO 2 mitten in Europa zu entwickeln. 

Es soll dazu beitragen, die öffentliche 

Akzeptanz für eine geologische 

Speicherung von CO 2 als Option für den 

Klimaschutz zu gewinnen und zu stärken. 

Am 29./30. Sept. 2005 fand am GFZ Potsdam 

der „1st International Workshop on 

CSLF Pilot Projects“ des Internationalen 

„Carbon Sequestration Leadership 

Forum CSLF“ statt, an dem 150 Wissenschaftler 

aus 20 Nationen teilnahmen 

(Abb. 5.5). 


Abb. 5.4: Anregung seismischer Impulse durch Fallgewicht 

(Foto: S. Lüth, GFZ ). 

Excitation of seismic pulses by weight-drop. 

Verbundprojekt CO 2SINK-CORTIS im BMWi-Programm 

COORETEC 

CO 2SINK ist der Kern eines umfassenden Forschungsprogramms 

zur Untersuchung der vollständigen Verfahrenskette 

von der Quelle bis zur Senke des CO 2. Für eine 

realitätsnahe Untersuchung der CO 2-Speicherung werden 

ca. 60.000 Tonnen CO 2 für zunächst zwei Jahre benötigt. 

Diese soll das vom GFZ Potsdam koordinierte Teilprojekt 

CO 2SINK-CORTIS (CO 2 Recovery, Transportation, and 

Intermediate Storage) im BMWi-Programm COORETEC 

(http://www.cooretec.de) sicherstellen. Es wird vom 

BMWi und der Industrie gefördert, startete am 01. 12. 2005 

und hat eine Laufzeit von drei Jahren. 

CO 2SINK-CORTIS soll sich auf die übertägigen Aspekte 

der CO 2-Injektion und auf die Bereitstellung von 

60.000 Tonnen CO 2 für 24 Monate ab Ende 2006 konzentrieren. 

Hierzu gehören Abtrennung und Transport des 

Gases zum Injektionsort, Ermittlung des optimalen Injektionszustands 

(Druck, Temperatur, Gasqualität), Auswahl, 

Planung und Beschaffung der Anlagenkomponenten sowie 

Vorbereitung und Durchführung des Injektionsbetriebs. 

Abb. 5.5: Teilnehmer am „1st International Workshop on CSLF Pilot Projects“, 

GFZ Potsdam, Sept. 29, 2005 (Foto: E. Gantz, GFZ). 

Participants of the „1st International Workshop on CSLF Pilot Projects“, 

GFZ Potsdam, Sept. 29, 2005. 

Zahlreiche Optionen zur CO 2-Bereitstellung wurden untersucht 

und hinsichtlich des technischen und finanziellen 

Aufwands sowie einer termingerechten Realisierbarkeit 

bewertet. Weitere Vorarbeiten wurden zur Klärung des 

Injektionsregimes durchgeführt, speziell zur Frage, mit 

welchem Druck und welcher Temperatur das CO 2 in den 

Speicher einzubringen ist. Das CO 2 soll in Ketzin gasförmig 

mit einem Druck von 66 bis 74 bar und einer Temperatur 

von 29 bis 45 °C injiziert werden. Da es als Flüssigkeit 

(bei 12 bar, –35 °C) angeliefert wird, müssen Druck 

und Temperatur für die Injektion unter technischen und 

wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden. 

Verbundprojekt COSMOS im BMBF/DFG-Programm 

GEOTECHNOLOGIEN 

Unter Koordination des GFZ Potsdam wurde ein Antrag 

an das BMBF im Sonderprogramm „GEOTECHNOLO- 

GIEN“ (http://www.geotechnologien.de/forschung/ 

untergrund.pdf) entwickelt, mit dem das Projekt „COS- 

MOS – CO 2 Speicherung, Monitoring und Sicherheitstechnologie“ 

eingeworben werden konnte. Hieran sind 

neben dem GFZ die Universitäten Karlsruhe und Freiberg 

sowie zwei Energiekonzerne beteiligt. Das Projekt startete 

am 01. 04. 2005 und hat eine Laufzeit von drei Jahren. 

Ein wesentliches Ziel ist die Entwicklung von CO 2 -Injektionsbohrungskomponenten 

und CO 2-resistenten Zementen 

sowie Untersuchungen zur Integrität der abdichtenden 

Schichten bei Einwirkung von CO 2. Außerdem sollen In- 

Situ-Bohrlochmessungen durchgeführt werden, um technische 

Standards für eine optimale Injektion sowie zur 

Diagnose und Lösung der dabei anfallenden Probleme zu 

entwickeln, Speicherstrategien zu verbessern und Simulationsmodelle 

zu verifizieren. Hierbei wird ein neues 

Konzept für eine sogenannte intelligente Bohrung (smart 

casing) realisiert, bei dem permanente elektrische Sensoren 

– Elektroden und Sonden – hinter der Verrohrung in 

die Zementierung der Injektions- und Beobachtungsbohrungen 

eingebracht werden (Abb. 5.6). 

Diese Sensoren dienen sowohl der Überwachung 

der Bohrlochintegrität als auch 

dem Monitoring der CO 2-Ausbreitung im 

Untergrund. Neben der Bestimmung der 

Temperaturänderung sind die Erfassung 

mikroseismischer Ereignisse und elektrischer 

Reservoireigenschaften geplant. 

Außerdem soll während der CO 2-Injektion 

eine kontinuierliche Erfassung des 

Injektiondrucks in situ erfolgen. Die Auswirkungen 

des CO 2 auf die Verrohrung 

und Zementierung sind zu untersuchen. 

Das Konzept für die Ausführung der Bohrungen 

ist mit dem brandenburgischen 

Landesamt für Geologie und Bergbau 

abgestimmt, das Genehmigungsverfahren 

ist eingeleitet. Das Projekt kooperiert 

mit CO 2SINK und profitiert von dessen 

starker industrieller und wissenschaftlicher 

Beteiligung. CO 2SINK bietet für 

COSMOS den Zugang zum Testfeld mit 


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Abb. 5.6: Schematische Darstellung des Smart-Casing-Konzepts mit den Details eines mikroseismischen Moduls (triaxialer 

Empfänger). 

Schematic of the smart-casing concept with details of a microseismic triple axis sensor. 

Infrastruktur, Bohrlöchern usw., und die Forschungs- und 

Entwicklungsziele von COSMOS ergänzen die von 

CO 2SINK sinnvoll. 

CO 2 Capture Programme CCP 

Das CO 2 Capture Project CCP (http://www.co2captureproject.org) 

wird von der EU, dem US Department of 

Energy und dem Norwegian Research Council KLIMA- 

TEK-Programm, zusammen mit acht internationalen Ölkonzernen 

gefördert. In diesem Programm unternahm das 

GFZ Potsdam umfangreiche triaxiale Hochdrucktests mit 

Fluiddurchströmung im Labor zur Untersuchung des Einflusses 

der Injektion von CO 2 auf die physikalischen 

Eigenschaften von Speichergesteinen aus tiefen salinen 

Aquiferen. Die Experimente wurden an verschiedenen 

Gesteinsproben unter simulierten In-Situ-Druck- und 

Temperaturbedingungen durchgeführt. Die Messungen 

der physikalischen und chemischen Effekte, die aus der 

Wechselwirkung der Gesteine mit Salzlösung und superkritischem 

CO 2 resultieren, erfolgten in einer triaxialen 

Hochdruckzelle und in Autoklaven. Auch wurden Experimente 

zu Fluid/Gesteins-Wechselwirkungen an gemahlenem 

Gesteinsmaterial zur Homogenisierung der Proben 

und zur Erhöhung der den Fluiden ausgesetzten Proben- 

oberflächen und damit der Reaktionsgeschwindigkeiten 

durchgeführt (Schütt et al., 2005). 

Tunnelseismische Vorauserkundung 

Weltweit befindet sich der Untertagebau im Aufwind. In 

stark bevölkerten Gebieten bleibt als letzter verfügbarer 

Raum für Infrastrukturen vielfach nur noch der Untergrund. 

In den Städten erzwingen restriktive Randbedingungen 

infolge Flächenknappheit, immer stärkeren Lärmund 

Umweltschutzauflagen sowie mangelnder Akzeptanzbereitschaft 

der Bevölkerung gegenüber Baubelästigungen 

das Ausweichen in die Tiefe durch den Bau von 

U-Bahnen, Straßentunneln, Rohrleitungen, Parkkavernen 

und sogar ganzen Bahnhöfen. 

Auch die Basistunnel der neuen transeuropäischen Eisenbahnhochgeschwindigkeitsstrecken 

durch die Alpen sind 

technische Herausforderungen ersten Ranges mit ihren 

großen Längen, hohen Gebirgsüberlagerungen, den damit 

verbundenen hohen Temperaturen und Spannungen, und 

besonders komplexen geotechnischen Bauvorgängen. 

Anforderungen dieses Umfangs wurden bisher noch nirgendwo 

auf der Erde bewältigt und lösen richtungsweisende 

Impulse in der Grundlagen- und angewandten For- 


davor liegt die sog. Piora-Mulde, die sich 

durch hohen Wassergehalt und geringe 

mechanische Stabilität ausprägt. Die 

Messungen sollten zeigen, ob sich der 

Übergang vom Lukmanier-Gneiss zur 

Piora-Mulde seismisch nachweisen lässt. 

Zur Anregung wurden für das TSP-System 

20 Sprengladungen zu je 100 g in ca. 

2 m tiefen Bohrlöchern verwendet. Für 

das ISIS-System wurden Anregungen mit 

dem am GFZ entwickelten pneumati- 

Abb.5.7:Geologisch-geotechnisches Profil am Piora-Sondierstollen des Gottschen Impakthammer erzeugt. Für die 

hard-Basistunnels mit Positionierung der seismischen Auslage. 

Registrierung kamen jeweils zwei Geo- 

Geological-geotechnical profile of the Piora adit of the Gotthard base tunphonanker des GFZ Potsdam und zwei 

nel with positioning of the seismic layout. 

Piezo-Akzelerometer von AMT zum Einsatz. 

Die Abb. 5.9 zeigt ein „receiver gather“ 

eines der Empfänger nach der Datenbearbeitung mit 

dem Software-Modul von ISIS. Die Datenbearbeitung 

bestand aus einer Entfernung direkter P-, S- und Rayleigh- 

Wellen mittels eines Medianfilters, eines Bandpassfilters 

und einer laufzeitabhängigen Amplitudenkorrektur. 

Abb. 5.8: Seismische Messungen im Piora-Sondierstollen 

(Foto: S. Mielitz, GFZ). 

Seismic measurements in the Piora adit. 

schung aus wie z. B. die hochauflösende 

seismische Vorauserkundung während 

eines Tunnelvortriebs. 

Integriertes Seismisches Imaging System 

ISIS für den Tunnelbau 

Für Erkundung und Monitoring untertage 

führte das GFZ beim Bau des Gotthard-Basistunnels 

in den Schweizer Zentralalpen 

hochauflösende seismische 

Messungen zur Vorhersage geologischer 

Störungszonen durch (Giese et al, 2005). 

Damit konnte das vom GFZ entwickelte 

Integrierte Seismische Imaging System 

ISIS in der Praxis erfolgreich erprobt werden 

(Borm, G. und Giese, R., 2004). 

Im Piora-Sondierstollen der Baustelle 

zum Gotthard-Basistunnel Süd (Abb. 5.7, 

5.8) wurden im März 2005 reflexionsseismische 

Messungen in Zusammenarbeit 

mit der Firma Amberg Messtechnik 

AG (AMT) und dem GGA-Institut Hannover 

durchgeführt. 

Die Messungen erfolgten an der Ortsbrust 

des Sondierstollens; 30 bis 40 m 

Die bearbeiteten Daten zeigen von der Ortsbrust des 

Tunnels reflektierte Tunneloberflächenwellen (Pfeil 1 in 

Abb. 5.9) und Rayleigh-Wellen, die an der Ortsbrust zu 

Scherungswellen konvertiert sind, weiter in Tunnelvortriebsrichtung 

gelaufen sind, reflektiert wurden und 

dann als rekonvertierte Oberflächenwellen wieder an 

der Tunnelwand zurückkommen. Diese Einsätze haben 

eine negative Scheingeschwindigkeit, und ihre Laufzeit 

wird mit zunehmendem Abstand von Quelle und Empfänger 

kleiner (Pfeil 2 in Abb. 5.9). Die seismische 

Abb. 5.9: Seismogramme der Hammerschläge nach der Datenbearbeitung. 

Receiver gather von RCV-ISIS, Z-Komponente. 

Seismograms of the hammer impacts after processing, receiver gather of 

RCV-ISIS, Z (vertical) component. 


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Abb. 5.10: Migration der Seismogramme. a) Kirchhoff SS Migration von Empfänger 2 und Schuss 1 bis 36. Für die 

Migration wurde ein homogenes Geschwindigkeitsmodell (V s = 2.900 km/S) verwendet. b) Kirchhoff SS Migration von 

Empfänger 1 und Schuss 42 bis 76. Außerdem sind zwei Erkundungsbohrungen eingezeichnet, entlang derer der RQD- 

Wert (Rock Quality Designation) codiert ist. Violette Bereiche bedeuten niedrige RQD-Werte (hohe Kernverluste, Bruchzonen), 

rote Bereiche hohe RQD-Werte (relativ geringe Kernverluste, kompaktes Gebirge. 

Migrated sections of the seismograms. a) Kirchhoff SS migration of receiver 2 and shots 1 through 36. A homogeneous 

velocity model (v s = 2900 km/s) was used. b) Kirchhoff SS migration of receiver 1 and shots 42 through 76. Two exploratory 

wells are shown along which the RQD value is indicated (RQD: Rock Quality Designation). Magenta indicates 

low RQD values (high core losses, fault zones), red indicates high RQD values (relatively low losses of drillcore, stable 

rock mass). 

Abbildung dieser Reflektionen mit Hilfe einer Kirchhoff 

Migration ergibt eine Reflektivitätsverteilung vor 

der Ortsbrust, in der markante Diskontinuitäten, wie in 

diesem Fall die Piora-Mulde, deutlich erkannt werden 

können (Abb. 5.10). 

Beim Wissenschaftssommer im September 2004 in Stuttgart 

wurde das Seismische Imaging Systems ISIS der 

Öffentlichkeit vorgestellt (Abb. 5.11). 

Abb. 5.11: Antransport eines Kalksteins am Stuttgarter 

Schloss zur Demonstration von ISIS beim Wissenschaftssommer 

2004 (mit freundlicher Unterstützung der Ed. 

Züblin AG). 

Delivery of a limestone at the Stuttgart Castle for the 

demonstration of ISIS during the Science Summer 2004 

(kindly supported by Ed. Züblin AG). 

Das BMBF/DFG-Sonderprogramm GEOTECHNOLO- 

GIEN, die GeoUnion und das Konsortium Deutsche Meeresforschung 

luden zu einem Parlamentarischen Abend 

am 24. 11. 2004 im Haus der Bundespressekonferenz ein. 

Auch hier war das GFZ Potsdam mit einem Ausstellungsstand 

zu ISIS „Verkehrsplanung mit Weitblick – Tunnelbau 

mit modernen Vorauserkundungsmethoden“ vertreten. 

Geophysikalisches Monitoring von Deichen bei 

Hochwasser 

In Kooperation mit der Universität Karlsruhe wurden im 

Rahmen des BMBF-Projekts „Versagen von Deichen und 

Dämmen auf und mit Lehmzonen bei Hochwasser“ neue 

Methoden der hochauflösenden seismischen Messung zur 

Abbildung der Durchfeuchtung eines Lehmdeiches bei 

Hochwasser entwickelt, um die Versagenswahrscheinlichkeit 

des Deiches bei verschiedenen Flutszenarien ermitteln 

zu können. Die Durchfeuchtungsprozesse in Deichen 

wurden an idealisierten Modelldeichen untersucht. Dazu 

sollten die Strukturen im Inneren des Deichkörpers hinsichtlich 

ihrer Materialzusammensetzung sowie Wassergehalt 

und Lagerungsdichte bestimmt werden. Um eine 

möglichst hohe Auflösung zu erhalten, wurde als seismische 

Quelle ein magnetostriktiver Minivibrator verwendet, 

der Frequenzen bis zu 6 kHz anregen kann. 

Zur Vorbereitung wurde am GFZ Potsdam an einem 

Versuchsdeich (Abb. 5.12) das seismische System getestet 

und hinsichtlich der Versuchsbedingungen optimiert. 


Abb. 5.12: Versuchsdeich mit seismischer Quelle und Empfängern 

am GeoForschungsZentrum Potsdam (Länge 5 m, 

Breite 0,3 m, Höhe 1,2 m; Foto: K. Jaksch, GFZ). 

Model dike with the seismic source and receivers at the 

GFZ Potsdam (length 0.3 m, width 5 m, height 1.2 m). 

Der Versuchsdeich wurde mit einem annähernd homogenen 

Lehmmaterial verfüllt und auf einer Seite abgeschlossen, 

um das Fluten mit Wasser zu ermöglichen. 

Vor den Messungen wurden Tests der seismischen Sweep- 

Quelle durchgeführt, um einen möglichst hohen Energieeintrag 

in den gewünschten Frequenzbereichen zu erreichen 

und Oberflächenwellen zu unterdrücken. Das obere 

Diagramm in Abb. 5.13 zeigt ein Sweep-Signal, mit dem 

der Vibrator angeregt wird, mit Frequenzen von 100 bis 

6.100 Hz und konstanten Amplituden. Im unteren Diagramm 

erkennt man aus dem Kopfsignal, das direkt an 

der Ankopplungsfläche aufgezeichnet 

wurde, wie sich die Amplituden des 

Sweeps durch die Materialeigenschaften 

des Deiches und die Übertragungseigenschaften 

des Vibrators ändern. 

Ein langfristiger Durchfeuchtungsversuch 

mit einem konstanten Wasserstand 

von einem Meter (Abb. 5.12) wurde 

begonnen. Anfangs in Stunden- und später 

in Tagesabständen wurden seismische 

Messungen durchgeführt, um den zeitlichen 

Durchfeuchtungsverlauf zu erfassen. 

Die Untersuchungen haben gezeigt, 

dass die fortschreitende Durchfeuchtung 

des Versuchsdeiches sich in deutlichen 

Veränderungen der Amplituden des 

Sweep-Signals auswirkt. Ein wesentliches 

Ziel der Untersuchungen ist die Herleitung 

von Beziehungen zwischen den 

seismischen Messgrößen (z. B. Geschwindigkeiten 

und Dämpfungen) und 

den bodenmechanischen Parametern. An 

Modelldeichen des Instituts für Wasser 

und Gewässerentwicklung (IWG), Bereich 

Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, 

der Universität Karlsruhe mit Wasserstandssteuerung 

zur Simulation von 

Hochwasserszenarien wurden geotechnische, hydraulische 

und seismische Untersuchungen durchgeführt. Dazu 

wurden vier Deiche aufgebaut, bei denen das Bodenmaterial, 

die Böschungen und die Hochwasserszenarien variiert 

wurden. Das Schuss- und Empfänger-Array bestand 

aus drei parallelen Messlinien mit 3-Komponenten-Geophonen. 

Abb. 5.14 zeigt die Messkonfiguration. 

Bis Ende April 2005 wurden die seismischen Messungen 

an den großmaßstäblichen Modelldeichen im Theodor- 

Rehbock-Laboratorium des IWG der Universität Karlsruhe 

durchgeführt. Soweit möglich, wurden die verschiedenen 

Hochwasserszenarien begleitend gemessen. 

Dazu wurde an zwei Modelldeichen mit unterschiedlicher 

Materialzusammensetzung gemessen. Über die gesamte 

Messzeit bewährte sich die vom GFZ Potsdam entwickelte 

Messtechnik, wie z. B. die speicherprogrammierbare 

Steuerung des Positionierungswagens und die 

Anpressvorrichtung der Quelle unter Dauerbelastung 

(Abb. 5.15). 

Für die Signalaufzeichnung wurden vier 24-kanalige und 

bis zu 55 zweikanalige Summit Aufzeichnungsgeräte eingesetzt. 

In Tests während der Trockenphase des Modelldeiches 

vor dem ersten Einstau wurde das für die Messungen 

benutzte Sweep-Signal festgelegt: Sweep-Dauer 

0,5 s, Frequenzband 300 bis 6.300 Hz. Eine softwaregesteuerte 

Regelung des Sweep begrenzt die auftretenden 

Beschleunigungswerte und verteilt die eingebrachte Energie 

gleichmäßig über das Frequenzband. 

Die Dauer eines Messdurchlaufs für 54 Quellpunkte betrug 

bis zu drei Stunden. Mit zunehmender Durchfeuchtung des 

Abb. 5.13: Anwendung des Echzeit-Regelungssystems auf einen linearen 

Sweep (Frequenzband 100 bis 6.100 Hz). Alle Sweepfrequenzen des geregelten 

Sweeps (grüner Graph) werden mit ungefähr gleichen Amplituden 

angeregt. Beim ungeregelten Sweep (blauer Graph) sind hingegen die Resonanzfrequenzen 

deutlich zu erkennen. 

Application of the real-time control system at the linear sweep (here 100 to 

6100 Hz) leads to the regulated sweep signal (green graph). All frequencies 

were stimulated nearly with the same amplitudes, whereas at the unregulated 

sweep (blue graph) the resonant frequencies are clearly seen. 


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Deiches und größeren Stauhöhen verringerten sich die 

Anzahl der Quellpunkte und die Messdauer. Die Auswertungen 

der Messungen zeigten eine gute Qualität der seismischen 

Daten. Die Messungen im trockenen Zustand 

zeigten ein komplexes Wellenfeld, das von direkten Kompressionswellen, 

Oberflächenwellen sowie 

reflektierten und refraktierten Wellen 

der Deichmodellbegrenzungen dominiert 

wird. Im Nahbereich der Quelle wird das 

gesamte angeregte Frequenzspektrum in 

den Boden eingetragen. Im Verlauf einer 

Hochwasserperiode kann man darin eine 

Zunahme der Dämpfung und Abnahme 

der seismischen Wellengeschwindigkeiten 

mit zunehmender Durchfeuchtung des 

Deiches erkennen. 

Die Förderung dieses Projektes durch das 

BMBF lief planmäßig zum 31. 12. 2005 

aus. Am GFZ Potsdam wird es im Rahmen 

einer Dissertation bearbeitet, die in 

den kommenden Monaten fertiggestellt 

werden soll. 

Geothermie 

Explorationsgeologie im Geoengineering 

Die Anwendung und Weiterentwicklung 

von Methoden zur Auffindung, Charakterisierung 

und Nutzbarmachung unterirdischer 

Ressourcen ist ein wesentlicher 

Schwerpunkt geowissenschaftlicher Forschung 

in der Sektion Geothermie. Re- 

Abb. 5.14: Messanordnungen der Quell- und 3-Komponenten-Geophonpunkgionalspezifischeexplorationsgeologite für die Modelldeichversuche am IWG der Universität Karlsruhe. sche Arbeiten erfolgen sowohl im For- 

Seismic survey consisting of source points and 3-component-geophoschungsthema „Geoengineering“, das 

nes for the model dikes at the test facility at the IWG, Universtität Karls- sich u. a. mit der geologischen Speicheruhe.rung 

von CO2 befasst, als auch im Forschungsthema 

„Geothermische Technologieentwicklung“, 

das den Ausbau des In-Situ-Geothermielabors 

Groß Schönebeck zu einer geothermischen 

Anlage für die Stromgewinnung vorsieht. 

Abb.5.15: Der automatische Messwagen mit Sweep-Quelle 

im Einsatz auf dem IWG-Deichmodell der Universität 

Karlsruhe (Foto: K. Jaksch, GFZ). 

The monitoring car with the seismic source in use at the 

test facility at the Theodor-Rehbock-Laboratory (IWG, 

Universtität Karlsruhe). 

In Abb. 5.16 sind explorationsgeologische Themenfelder, 

die in der Sektion Geothermie bearbeitet wurden, dargestellt. 

Die Erfassung und Interpretation geologischer 

Strukturen, die Charakterisierung von Reservoiren und 

Caprocks standen neben der Erarbeitung von regionalen 

und lokalen thermischen Beckenmodellen sowie von 

hydrogeologischen Modellen des flachen Untergrundes 

im Zentrum der Forschung. Die wissenschaftliche Bearbeitung 

dieser Themen erfordert die Interpretation von 

Bohrlochmessungen und den Aufbau und die Nutzung von 

Datenbanken und Geoinformationssystemen. 

Geographisch war ein Großteil der Arbeiten im Gebiet des 

Nordostdeutschen Beckens nördlich von Berlin angesiedelt 

und vor allem auf Bohraufschlüsse konzentriert. So 

wurde z. B. der terrestrische Wärmestrom, der einen wichtigen 

Parameter für die Charakterisierung des geothermischen 

Potentials eines Gebietes darstellt und ein wesentlicher 

Bestandteil der geothermischen Exploration ist, an 

zwölf Bohrlokationen neu bestimmt (Abb. 5.17). 

Die Forschung zum Wärmestrom im Norddeutschen Becken 

umfasste Labormessungen der Wärmeleitfähigkeit 

Abb. 5.16: Schwerpunkte der Explorationsgeologie. 

Main issues of exploration geology. 


Abb. 5.17: Verteilung von Salzstrukturen im Nordostdeutschen 

Becken (nach Lokhorst, 1998) und Bohrungen, von 

denen neue Werte des terrestrischen Wärmestrom vorliegen 

(aus Lotz, 2004). Die Lokation Ketzin ist der Standort für 

die CO 2-Speicherung im CO 2SINK-Projekt. Die Lokation 

Groß Schönebeck ist der Standort für die GFZ-Geothermiebohrung 

Gt GrSk 4/05, die 2006 zur Entwicklung eines 

„Enhanced Geothermal Systems“ abgeteuft wird. 

Size and distribution of salt structures in the area of the 

Northeast German Basin (after Lokhorst, 1998). Boreholes, 

in which heat-flow density was determined (Lotz, 

2004) are shown. The Ketzin site (storage site of 

CO 2SINK) and the Groß Schönebeck site (site of the geothermal 

borehole Gt GrSk 4/05 for developing an Enhanced 

Geothermal System) are also shown. 

von Gesteinen des Prä-Perm und des Perm (Rotliegend- 

Sedimente und Vulkanite), die durch Bohrungen aufgeschlossen 

sind, die Bestimmung der Gesteinsporosität 

sowie die Bestimmung der Gehalte an U, Th und K im Labor 

und durch Bohrlochmessungen der natürlichen Radioaktivität. 

Daraus wurde die radiogene Wärmeproduktion von 

Gesteinen des Devons bis Quartärs abgeleitet. Da in vielen 

Bohrungen die Messungen der natürlichen Radioaktivität 

in Gamma-Einheiten vorliegen, war es notwendig, eine 

empirische Beziehung zur Umrechnung dieser Einheiten in 

moderne API-Einheiten (Abb. 5.18) zu entwickeln. 

Mit Hilfe der empirischen Gleichung aus Abb. 5.18 können 

ältere, in der Erdöl-Erdgas-Exploration gemessene 

Logs in explorative Arbeiten quantitativ einbezogen werden. 

Für das Nordostdeutsche Becken wurde basierend auf 

Gamma-Logs eine Bilanzierung des Anteils der Wärmestromdichte 

in der sedimentären Beckenfüllung vorgenommen. 

Diese kann bis zu 7 mW/m 2 betragen. 

Werte der Wärmeleitfähigkeit von über 300 Proben liefern 

auf der Basis gut dokumentierter Messungen eine 

neue Datengrundlage für die Bestimmung der Wärmestromdichte, 

für thermische Beckenmodellierungen und 

für Modellierungen von regionalen Wärmetransportprozessen. 

Dabei zeigt sich vor allem für die intensiv beprobten 

Rotliegend-Sedimente ein enger Zusammenhang von 

Wärmeleitfähigkeit und Fazies bzw. Diagenese/Zementation 

der Gesteine. Die Wärmeleitfähigkeiten derselben 

stratigraphischen und lithologischen Einheit können dabei 

um mehr als 2 W/m/K variieren. 

Im Nordostdeutschen Becken sind die strukturgeologischen 

Verhältnisse durch Salzdome und Salzkissen modifiziert. 

Auf Grund von großen Kontrasten in der Wärmeleitfähigkeit 

zwischen Salz und Umgebungsgestein bilden 

diese Strukturen thermische Anomalien, die sich auch in 

der Höhe der Wärmestromdichte widerspiegeln. Die Reichweite 

dieser Störungen im thermischen Feld wurde erstmalig 

durch Modellrechnungen umfassend quantifiziert 

(Abb. 5.19). Auf der Basis dieser Modelle war eine Kor- 

Abb. 5.18: Beispiel für eine aus der Bohrlochmessung der 

natürlichen Radioaktivität (in Gamma-Einheiten, blaue 

Kurve) bestimmte Wärmeproduktion (rote Kurve). Die 

Berechnung erfolgte nach der empirischen Formel A 

[µW/m 3 ] = 0,0783 (GR[GEc]-5,66). Punkte zeigen Wärmeproduktionsraten 

aus Labormessungen (aus Norden & 

Förster, im Druck). 

Borehole example of radiogenic heat production (red 

curve) determined from a gamma-ray log (measured in 

gamma units, blue curve) using the empirical equation A 

[µW/m 3 ] = 0.0783 (GR[GEc]-5.66) (from Norden & Förster, 

in press). 


381

382 

Abb. 5.19: Beispiel eines lokalen thermischen Modells (Salzstruktur Gransee). A) Darstellung der 60 mW/m 2 -Wärmestromdichte-Isofläche 

im Bereich von 1 bis 11 km Tiefe mit dem Gitternetz der Modellierung, B) Profilschnitt parallel 

von x durch die Salzstruktur (aus Lotz, 2004). 

Example of a local-scale thermal model (salt structure Gransee). A) 3D plot of the 60 mW/m 2 heat flow surface in the 

depth range of 1 to 11 km. Grid of the modeling is shown. B) Cross section in x direction showing the heat-flow distribution 

in z direction (from Lotz, 2004). 

rektur der in der Nähe dieser Strukturen gemessenen Wärmestromdichte 

auf „Normal“-Bedingungen möglich. 

Um das regionale thermische Tiefenfeld zu quantifizieren 

und die Sensitivität des Wärmestroms in Hinsicht auf Parameteränderungen 

zu untersuchen, wurden verschiedene 

Szenarien des Krustenaufbaus und der Lithosphärenmächtigkeit 

entlang eines 2D-Profils (Abb. 5.20) thermisch 

berechnet. Es konnte unter anderem gezeigt werden, 

dass die bis zu 2.000 m mächtigen Vulkanit-Komplexe 

mit ihrer teilweise hohen Wärmeproduktion (3 bis 

6 µW/m 3 ) einen signifikanten Einfluss auf die Wärmestromdichte-Verteilung 

ausüben. 

Das Norddeutsche Becken bietet neben den günstigen 

Bedingungen für die Nutzung der Erdwärme auch ein geeignetes 

geologisches Umfeld für die Speicherung von CO 2. Im 

Frühjahr 2004 starteten die Vorbereitungsarbeiten für eine 

in 2006 geplante Injektion von CO 2 in die Struktur Ketzin 

(vgl. Abb. 5.17). Diese Arbeiten sind Bestandteil des vom 

6. Forschungsrahmenprogramm (FP6) der Europäischen 

Union und der Industrie geförderten CO 2SINK-Projekts. 

In der Struktur Ketzin wurde früher Erdgas der Verbundnetz 

Gas AG Leipzig in einer Sandsteinschicht in einer 

Tiefe von 250 bis 400 m gelagert. Die CO 2-Speicherung 

im Rahmen des CO 2SINK-Projekts soll jedoch in einer 

tieferen Sandsteinschicht, in der Stuttgart-Formation, die 

ca. 80 m mächtig ist, erfolgen. Ein dreidimensionales geologisches 

Strukturmodell wurde für die Roskow-Ketzin- 

Doppelantiklinale erarbeitet, das auf 2D-seismischen Daten 

sowie Daten aus zahlreichen Explorationsbohrungen, die 

im Rahmen vorangegangener industrieller Erkundungen 

abgeteuft wurden, basiert. Als Teil des Modells wurden 


Abb. 5.20: Geologischer Schnitt durch das Nordostdeutsche Becken und angrenzende Gebiete, für den thermische 

Modelle berechnet wurden. Gezeigt werden verschiedene Szenarien der Tiefenlage der Lithosphäre/Asthenosphäre- 

Grenze (LAB). Nummeriert und farbkodiert sind geologische Einheiten, die sich in Bezug auf Zusammensetzung und 

thermische Eigenschaften unterscheiden (aus Lotz, 2004). 

Cross section of the Northeast German Basin and adjacent areas used as conceptual model for thermal modelling. Different 

scenarios of the lithosphere/asthenosphere boundary depth (LAB) are shown. Numbered circles denote geological 

units (colorcoded) of different composition and thermal properties (from Lotz, 2004). 

für die geplanten CO 2SINK-Bohrungen (Abb. 5.21) geologische 

Vorprofile erstellt. 

Der CO 2SINK-Speicher (die Stuttgart-Formation) ist eine 

geologische Einheit von ausgeprägter Heterogenität. Klastische 

Sedimentgesteine, die in Überflutungsgebieten 

(Überflutungsfazies) abgelagert wurden, wechseln mit Ablagerungen, 

die in Rinnen sedimentiert sind (sandige Rinnenfazies). 

Diese Sandsteine vom Grauwacken-Typ bilden 

auf Grund sehr guter hydraulischer Eigenschaften die 

eigentlichen Reservoirzonen für die CO 2-Speicherung. 

Um die Heterogenität der Stuttgart-Formation quantitativ 

zu erfassen, wurde zur Reservoircharakterisierung eine 

geostatistische Modellierung der möglichen Rinnensandsteingeometrien 

(Abb. 5.22) in Zusammenarbeit mit dem 

Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) 

durchgeführt. 

Die Charakterisierung von Reservoir- und Caprock-Gesteinen 

ist für das Verständnis einer sicheren CO 2-Speicherung 

notwendig. Erste mineralogische und geochemische 

Analysen der Caprock-Gesteine in Ketzin (Abb. 5.23) 

zeigten typische Tonsteingefüge in diesen Gesteinen. 

Mehr oder weniger gerundete Quarze sind in eine dichte, 

oft blättchenförmige Grundmasse aus Ton- und Glimmermineralen 

eingebettet. Große und durchgängige Porenräume 

sind nicht zu erkennen. Oft ist eine deutliche 

Schichtung von rein sandigen und tonigen Partien zu beobachten. 

Durchgängige Porenräume sind in diesen dichten 

tonigen Partien nicht zu erwarten, was sie zu idealen Abdecker-Gesteinen 

für Reservoire macht. 

Gesteinsphysikalische Parameter für das Engineering von 

Tiefenreservoiren 

Die Injektion von CO 2-haltigen Wässern in tiefe Gesteinsformationen, 

das Einbringen von Stützmitteln in hydraulisch 

frisch aufgebrochene Reservoire, die Infiltration von 

Bohrspülungen in Reservoirgestein und das Langzeitdurchströmen 

eines geothermischen Reservoirs mit Tiefenwässern 

beeinflussen die physikalischen Gesteinseigenschaften. 

Diese Änderungen können auch experimentell 

im Labor bestimmt werden. 

Mit der triaxialen Hochdruckpresse wurden am GFZ Potsdam 

mechanische Parameter des Bentheimer Sandsteins 

bestimmt. Ein Schwerpunkt war die Bestimmung des 

Skempton-Koeffizienten (Änderung des Porendrucks 

dividiert durch die Änderung des äußeren Umschließungsdrucks). 

Die Experimente zeigen, dass der Skempton-Koeffizient 

einer Probe bei Veränderungen des äußeren 

Stressfeldes nicht konstant ist. Bei Erhöhung des 

Umschließungsdruckes sinkt der Skempton-Koeffizient. 

Durch die Vorbelastung der Probe werden die Einflüsse 

von bleibenden Deformationen minimiert. Das Modell 

zeigt, dass gerade die Porenraumgeometrie (runde Poren 

bis irreguläre Poren) in direktem Zusammenhang mit 

deren Deformationsverhalten steht. 


383

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Abb. 5.21: Karte der Roskow-Ketzin-Doppelstruktur mit der CO 2SINK-Bohrlokation (gefülltes Quadrat) sowie der Lage 

von Altbohrungen (Punkte). Tiefenlage des seismischen K2-Reflektors in Metern (verändert nach Förster et al., im 

Druck). 

Map of the Roskow-Ketzin double structure with the location of the CO 2SINK drill site (filled square) and previous 

wells (dots). Depth of the K2 seismic reflector in meters (adapted from Förster et al., in press). 

Mit der triaxialen Hochdruckpresse wurden auch geophysikalische 

und geochemische Vorgänge in Sandsteinen 

untersucht, wenn diese im Kontakt mit Salzlösungen und 

mit CO 2 stehen. Es erfolgt eine kontinuierliche geophysikalische 

und geomechanische Datenaufnahme in Form 

Abb. 5.22: Modell-Geometrie der Stuttgart-Formation am Standort Ketzin 

für einen Block von 10 km x 10 km x 80 m Größe. Hochpermeable Sandsteinstränge 

wechseln mit gering-permeabler, tonig-siltiger Überflutungsfazies 

(blau) (aus Förster et al., im Druck). 

Architecture of the Stuttgart Formation at Ketzin, modelled in a 10 km x 10 

km x 80 m block. Sandstone channels of high permeability alternate with floodplain 

facies mudstones and siltstones (blue) (from Förster et al., in press). 

von seismischen Geschwindigkeiten, spezifischem elektrischen 

Widerstand und Deformation. Fluidproben, die 

mit dem Gestein in Wechselwirkung standen, wurden zur 

chemischen Analyse genommen. Signifikante Änderungen 

petrophysikalischer Eigenschaften konnten zusammen 

mit Patch-Versuchen zur Charakterisierung 

der Fluid-Gestein-Wechselwirkung 

interpretiert werden (Schütt et a., 

2005). 

Solche Untersuchungen finden auch Eingang 

in die Entwicklung einer Apparatur 

zur Durchführung von Langzeitdurchströmungsversuchen 

zur Einschätzung 

des Langzeitverhaltens geothermischer 

Reservoire. Ziel ist die Ableitung einer 

wissenschaftlich begründeten Aussage 

über die zeitliche Entwicklung der Produktivität 

des betreffenden Reservoirgesteins. 

Hierzu wurden zwei identische 

Messapparaturen konzipiert, welche die 

simultane Messung der physikalischen 

Gesteinsparameter Permeabilität, elektrische 

Leitfähigkeit, Kompressions- und 

Scherwellengeschwindigkeit sowie fluidchemische 

Untersuchungen unter relevanten 

Druck- und Temperaturbedingungen 

ermöglichen. 

Zur Errichtung einer geothermischen 

Nutzungsanlage hat die Schaffung künst- 


Abb. 5.23: Bohrkerne aus der Weser-Formation, dem unmittelbaren Caprock für den CO 2-Speicher in Ketzin. Untere 

Reihe: Sekundärelektronenbilder. 

Drill core samples from the Weser Formation, which is the immediate cap rock of the CO 2-injection formation at Ketzin. 

Lower row: Secondary-electron images. 

Abb. 5.24: Skempton-Koeffizient (Änderung des Porendrucks 

Pp dividiert durch Änderung des äußeren Umschließungsdrucks 

Pc) einer Probe des Bentheimer Sandsteins 

(Blöcher et al., pers. Mitt.) Die Druckänderung 

beträgt 0,1 MPa/min. Dargestellt sind gleitende Mittel 

über 10 Minuten. Messung bei Druckbelastung: up; Druckentlastung: 

down) 

Skempton-coefficient (change of pore pressure divided by 

change of confining pressure) of a Bentheim sandstone 

sample (Blöcher et al., pers. comm.) Pressure change is 

0.1MPa/min. Shown are 10-minute-running averages. 

Measurements during pressure increase are marked with 

„up“; measurements during pressure decrease are marked 

with „down“. 

licher Risse eine besondere Bedeutung. In der Konzeption 

ist das Einbringen von Mitteln zur Abstützung der Rissoberfläche 

nach Druckentlastung eine wichtige Option. 

Daher wurde die Schädigung einer künstlichen Rissoberfläche 

einer Rotliegend-Sandsteinprobe durch ungleichmäßige 

Stützmittelverteilung untersucht. Im Fokus der 

Untersuchungen standen die mechanischen Auswirkungen 

einer geringen Konzentration von Stützmitteln im 

Riss. Die Simulation der Spannungs-Bedingungen für eine 

Tiefe von 4 km an einer Rotliegendprobe aus Flechtingen 

ergab, dass deutliche Schädigungen der Rissoberfläche 

durch Eindringen der Stützmittel in die Gesteinsmatrix, 

Produktion von Feinmaterial am Kontakt und die Zerstörung 

des Stützmittels selbst beobachtet wurden. Der Vergleich 

mit dem Standard-Test (nach API) für das verwendete 

Stützmittel ergab, dass der prozentuale Anteil des 

erzeugten Feinmaterials etwa gleich groß, die effektive 

Spannung im API-Test aber doppelt so groß ist. Die Zerstörungen 

waren umso stärker, je geringer die Stützmittelkonzentration 

(kleiner als geschlossen einlagig) war. Die 

Mobilisierung und Transport von Feinmaterial beschränkte 

sich auf die Stützmittellage, weil aus technischen Gründen 

nur der Riss durchströmt werden konnte. Bei einer 

Strömung aus der Gesteinsmatrix in den Riss ist eine 

Mobilisierung der Gesteinsbruchstücke wahrscheinlich. 

In einer separaten Versuchsanlage wurde die einaxiale 


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386 

Abb. 5.25: Dünnschliffe eines Bentheimer Sandsteins 1,25 x 1,25 mm 2 . Links: Korngerüst und Druckverteilung in den 

Poren farbig hinterlegt. Rechts: die durch das numerische Modell ermittelten Porendrücke und Stressverteilung im 

Korngerüst (Blöcher et al., pers. Mitt.). 

Thin section of Bentheim sandstone 1,25 x 1,25 mm 2 . Left: grain structure and pressure distribution in pores. Right: 

Responding pore pressure and mean stress in a numerical simulation (Blöcher et al., pers. comm.). 

Abb.5.26:K-Feldspat vor Einwirkung (links) bzw. nach Einwirkung (rechts) 

CO 2-beladener Wässer. 

K-feldspar before treatment (left) and after treatment (right) with CO 2-bearing 

water. 

Bruchfestigkeit von Stützmittel-Einzelkörnern bestimmt 

und damit eine Datenbasis für keramische Stützmittel 

geschaffen. 

Um die Einsatzfähigkeit von Spülungen für die Geothermie-Bohrung 

in Großschönebeck beurteilen zu können, 

wurde in Kooperation mit der Bergakademie Freiberg ein 

Untersuchungsprogramm gestartet. Als Basisdaten wurden 

im GFZ Potsdam an Rotliegend-Bohrkernen die Dichte, 

Porosität, Permeabilität und deren Druckabhängigkeit 

bestimmt. Die Aufgabe einer speicherschonenden Spülung 

ist der Aufbau eines sogenannten Filterkuchens an 

der Bohrlochwand, der weitere Infiltrationen während des 

Bohrvorgangs verhindern soll. Das Programm wird mit 

High-Tech-Spülungssystemen aus der Industrie (Baroid, 

MI Swaco) durchgeführt. 

Gashydrat-Projekt in Mallik, Kanada 

Im Rahmen des Mallik-2002-Forschungsbohrprogramms 

wurden drei Bohrungen, die ein kontinentales Gashydratvorkommen 

unter Permafrost im Nordwesten Kanadas 

durchteufen, vom GFZ Potsdam mit faseroptischen Messkabeln 

zur ortsverteilten Temperaturmessung ausgestat- 

tet. Hierbei ist es von besonderem Interesse, 

die In-Situ-Wärmeleitfähigkeit zu 

bestimmen. Da bei der Bildung und der 

Zersetzung von Gashydraten latente 

Wärme umgesetzt wird, sind diese Prozesse 

immer mit dem Transport von 

Wärme verbunden. Um solche Bildungsund 

Zersetzungsprozesse in der Natur 

quantifizieren zu können, ist eine detaillierte 

Kenntnis der thermischen Eigenschaften 

von gashydratführenden Gesteinen 

notwendig. Da der Einfluss von 

Hydratvorkommen auf die thermischen 

Eigenschaften poröser Gesteine bisher 

weitgehend unbekannt ist, wurde der Einfluss 

von Methanhydrat auf den Wärmetransport untersucht. 

Die In-Situ-Wärmeleitfähigkeit wurde mit zwei unterschiedlichen 

Methoden aus den vorliegenden Bohrlochmessdaten 

hergeleitet: Einerseits wurden Wärmeleitfähigkeitsprofile 

aus den gemessenen geothermischen Gradienten 

und der lokalen Wärmeflussdichte auf der Grundlage 

der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung berechnet. 

Andererseits wurde die Gesteinszusammensetzung 

anhand von Bohrlochmessdaten bestimmt und die effektive 

Wärmeleitfähigkeit der hydratführenden Sedimente 

durch Anwendung von Mischungsgesetzmodellen berechnet. 

Die Ergebnisse des geometrischen Modells stimmen am 

besten mit den Wärmeleitfähigkeitsprofilen überein, die 

aus geothermischen Daten abgeleitet wurden. Daher kann 

das geometrische Modell zur Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit 

von gashydratführenden Sedimenten des Mallik-Typs 

angewendet werden. Die erbohrten Sedimente 

zeigen geringe Wärmeleitfähigkeitskontraste zwischen 

der Porenfüllung und der Gesteinsmatrix und enthalten 

fein verteilt auftretendes Gashydrat mit Sättigungen bis 


Abb. 5.27: Schema einer „Fracture-Face-Zone“ (Rissoberfläche nach Stützmitteleinwirkung, Legarth et al., 2005). 

Scheme of a fracture face zone (Legarth et al., 2005). 

Abb. 5.29: Bohrturm an der Lokation Mallik, NW-Kanada 

(Foto: GFZ Potsdam). 

Drill rig at the Mallik site, NW-Canada. 

Abb. 5.28: Filterkuchen auf einer Rotliegend-Sandstein-Oberfläche 

nach Einwirkung einer High-Tec-Bohrspülung 

(Raab et al., pers. Mitt.) 

Filtercake on the surface of a Rotliegend sandstone after 

infiltration of a high-tec borefluid (Raab et al., pers. comm.) 

zu 90 %. Mittlere Werte der Wärmeleitfähigkeit der hydratführenden 

Intervalle liegen zwischen 2,35 W/m/K und 

2,77 W/m/K. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen 

der Wärmeleitfähigkeit wesentlich durch lithologische 

Wechsel verursacht werden und der Einfluss der Hydratsättigung 

auf die effektive Wärmeleitfähigkeit des 

Gesteins nur von untergeordneter Bedeutung ist. Die verbesserte 

Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit gashydratführender 

Sedimente ermöglicht die Berechnung der dynamischen 

Wärmetransportprozesse bei Bildung und Zerfall 

von Gashydraten. 

Ingenieurseismologie 

Die Forschungsarbeiten der Sektion 5.3 „Ingenieurseismologie“ 

konzentrieren sich auf ingenieurtechnisch umsetzbare, 

angewandte seismologische Forschungsthemen 

wie z. B. probabilistische Einschätzungen der Erdbebengefährdung, 

deren Überführung in Regelwerke zum erdbebengerechten 

Konstruktionsentwurf sowie in Erdbebenrisikoaussagen 

als Grundlage für ein Risikomanagement. 

Hinzu kommen seismologische und ingenieurseismologische 

Grundlagenuntersuchungen, wie die Bereitstellung 

geeigneter Ausgangsdaten, z. B. von Dämpfungsbeziehungen 

von potentiell schadenverursachenden Er- 


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388 

Abb. 5.30: Vergleich von Wärmeleitfähigkeitsprofilen, die aus Mischungsgesetzmodellen 

und geothermischen Daten (Mallik 5L-38-Bohrung, September 

2003) berechnet wurden, zusammen mit den 95 % Konfidenzintervallen. 

Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Daten als 5-Meter-Mittelwerte 

dargestellt. Verändert nach Henninges et al. (2005). 

Comparison of thermal-conductivity profiles calculated from mixing-law 

models and 5-m average temperature gradients (Mallik 5L-38 well, September 

2003), together with 95% confidence interval limits. For better 

comparability, the mixing law conductivities are correspondingly displayed 

as 5-m arithmetic average values. Modified from Henninges et al. 

(2005). 

schütterungsparametern, der Vulnerabilitätsanalyse 

von Bauten, numerischen 

Modellierungen zum Bebengenerierungspotential 

von geologischen Bruchstörungen 

sowie Analysen zum bebenauslösenden 

Spannungsfeld in der Erdkruste. 

Seismische Risikokartierung Deutschlands 

Im gemeinsam von GFZ Potsdam und der 

Universität Karlsruhe betriebenen virtuellen 

Institut CEDIM (Centre for Disaster 

Management and Risk Reduction 

Technology) wurde im Projekt „Risikokartierung 

Deutschland“ das Erdbebenrisiko 

landesweit berechnet und kartenmäßig 

dargestellt (vgl. dazu auch die Arbeit 

„Risikokarten für Deutschland“ in diesem 

Bericht). Verschiedene der seismisch 

aktivsten Zonen in Europa nördlich der 

Alpen befinden sich in Deutschland 

und im Grenzgebiet zu Deutschland 

(Abb. 5.31). Dort traten in historischer 

Zeit Momentmagnituden von M W > 6 und 

bis M W = 6,9 auf, denen Erschütterungsintensitäten 

von VIII-IX und IX entsprechen. 

Da verschiedene dieser aktiven 

Seismizitätszonen eine hohe Bevölkerungsdichte 

und einen hohen Grad der 

Industrialisierung aufweisen und damit 

die Erdbebengefährdung mit einer hohen 

Konzentration von Werten zusammentrifft, 

ist die Analyse der Einflüsse von 

Erdbeben auf eine derart exponierte 

Infrastruktur sehr wichtig. 

Eine Methodik zur Berechnung des seismischen 

Risikos geht aus von intensitätsbasierten 

probabilistischen seismischen 

Gefährdungseinschätzungen, Vulnerabilitätsmodellen 

auf der Grundlage der 

räumlichen Verteilung von Wohngebäuden 

unterschiedlichster Bauweisen bzw. 

Abb. 5.31: Zeitgenössischer Kupferstich, 

der die Wirkungen des Bielefeld-Bebens 

von 1612 zeigt: verängstigte Bürger 

(Mitte), herunterfallendes Zinngeschirr 

(links) und (rechts) beschädigte Bauten, 

wie ein Stadttorturm und das Bielefelder 

Franziskaner-Kloster, die erhebliche 

Mauerrisse aufweisen (vgl. Grünthal, 

2004). 

Contemporary engraving showing the 

effects of the 1612 Bielefeld earthquake: 

frightened people (middle), falling pewter 

wave (left) and (right) damaged buildings 

like a city gate tower and the Bielefeld 

Franciscans monastery, both evidencing 

considerable fissures in the walls (cf. 

Grünthal, 2004). 


Abb. 5.32: Epizentren katalogisierter Erdbeben (Grünthal & Wahlström, 

2003). 

Epicentres of catalogued earthquakes (Grünthal & Wahlström, 2003). 

-typen sowie den Wiederherstellungskosten solcher Wohngebäude 

spezifiziert für alle kommunalen Strukturen. Die 

grenzüberschreitenden Erdbebendaten in Form einer europäischen 

Datenbasis (Abb. 5.32) wurden am GFZ Potsdam 

von Grünthal und Wahlström (2003) erarbeitet. Ebenso 

wurden die Erdbebengefährdungsdaten von früheren Analysen 

am GFZ verwendet, die für den Erschütterungsparameter 

der makroseismischen Intensität kalibriert und für 

eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit von 90 % in 

50 Jahren berechnet sind (Abb. 5.33). Die Erdbebengefährdungsdaten, 

die primär für einen Gitterpunktabstand 

von 0,1° x 0,1° vorliegen, werden anhand von Interpolationen 

jeder der 13.490 separaten administrativen Kommunen 

in Deutschland zugeordnet. 

Für die Abschätzung der Häufigkeitsverteilung von 

Gebäuden bestimmter Verletzbarkeitsklassen wurde eine 

repräsentative Methodik entwickelt. Verschiedene Prototyp-Kommunen, 

die unterschiedlichen Klassen von Kommunen 

bezüglich ihrer Einwohnerzahl entsprechen, wurden 

anhand von Vor-Ort-Analysen im Hinblick auf ihre 

Vulnerabilitätsstruktur untersucht. Fünf Einwohnerklassen 

umfassen Orte mit weniger als 300 Einwohnern, 300 

bis 3.000, 3.000 bis 30.000, 30.000 bis 300.000 und mehr 

als 300.000. Zusatzinformationen konnten aus veröffentlichtem 

Material und der nationalen INFAS-Datenbank 

entnommen werden. 

Zur notwendigen Unterteilung von Verletzbarkeiten wurden 

die im Rahmen der Europäischen Makroseismischen 

Skala (EMS-98; Grünthal, 1998) erarbeiteten 

und international bewährten Vulnerabilitätsklassen 

zugrunde gelegt und 

deren repräsentative Häufigkeitsverteilungen 

in den fünf Kommunenklassen 

ermittelt. 

Schadenswahrscheinlichkeitsmatrizen 

wurden erarbeitet, die den erwarteten 

Schaden in Prozent der Zerstörung für 

verschiedene Kombinationen von Vulnerabilitätsklassen 

und makroseismische 

Intensitäten angeben. Diese sind in Abb. 

5.34 als Vulnerabilitäts- bzw. Fragilitätskurven 

dargestellt. Die Vulnerabilitätsklassenverteilung 

in Verbindung mit den 

Schadensmatrizen ergibt typische Schadenskurven 

für die Kommunengrößenklassen 

(Abb. 5.35). In einem nächsten 

Arbeitsschritt werden die makroseismischen 

Intensitäten für das betrachtete 

Gefährdungsniveau (bzw. Eintreffenswahrscheinlichkeit) 

mit den zugehörigen 

Werten der Fragilitätskurven kombiniert. 

Werden diese ortsbezogenen Daten 

wiederum mit den Wiederherstellungskosten 

verknüpft, folgt als Resultat die 

Erdbebenrisikokarte in Form von monetären 

Verlustaussagen (Abb. 5.36). Bisher 

wurden nur Wohnhäuser in die Analysen 

einbezogen. Die Angaben zum Werteinventar 

(Asset) in den einzelnen Kommunen sind von der 

Asset-Gruppe in CEDIM bereitgestellt worden. 

Den relativ geringen Schadenserwartungen für größere 

Städte (diese weisen infolge massiver Kriegseinwirkungen 

in stärkerem Ausmaß resistentere neuere Bauten auf als die 

Mehrzahl kleinerer Städte) stehen i. d. R. dennoch erhöhte 

Risikowerte gegenüber, die durch die im Gegensatz zu kleineren 

Kommunen erhöhten Wertekonzentrationen bedingt 

sind. Für die bevölkerungsreicheren Kommunen ist damit 

deren relativ zur Umgebung erniedrigte Vulnerabilität überkompensiert 

durch deren höhere totale Wertekonzentration. 

Für das gewählte Wahrscheinlichkeitsniveau von 10 % 

Überschreitenswahrscheinlichkeit in 50 Jahren ergeben 

sich damit erwartete Verlust von mehreren Hundert Millionen 

Euro in den am meisten gefährdeten größeren Kommunen. 

Die 15 Kommunen mit dem größten erwarteten 

Erdbebenrisiko sind in Tabelle 1 zusammengefasst. 

Dieses methodische Vorgehen zur Abschätzung des seismischen 

Risikos wurde anhand beobachteter Schadenswerte 

von Beben der letzten 30 Jahre in Deutschland und 

im grenznahen benachbarten Ausland kalibriert. Obwohl 

nur Wohnbauten betrachtet wurden und keine sonstigen, 

gegenüber Erdbeben verletzbaren Objekte, gibt die vorliegende 

Risikokarte bereits einen guten Eindruck vom 

insgesamt zu erwartenden Erdbebenrisiko, zumal Wohngebäude, 

sowohl seitens ihres Werteinventars als auch vom 

sozialen Standpunkt aus betrachtet, in ihrer Summe die 

größte gesamtgesellschaftliche Bedeutung besitzen. 


389

390 

Abb. 5.33: Erdbebengefährdung in Deutschland in Form berechneter Intensitätswerte für eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit 

von 90 % in 50 Jahren; mit Karte der Epizentren tektonischer Erdbeben (Grünthal et al., 1998). 

Earthquake hazard in Germany in terms of European Macroseismic Scale intensities for a non-exceedence probability 

of 90 % in 50 years; epicentres of tectonic earthquakes (Grünthal et al., 1998). 

Vergleichende Bewertung des Naturgefahrenrisikos für 

die Stadt Köln – Erdbeben, Hochwasser und Stürme 

Die am GFZ vorgenommenen Untersuchungen zur Abschätzung 

der Erdbebengefährdung finden ihre Umsetzung 

in die Praxis (1) in Form der Bereitstellung von Erdbebenzonierungskarten 

und von seismischen Lastannah- 

men für erdbebengerechte Baunormen, wie der zum 

01. 04. 2005 eingeführten Neufassung der DIN 4149 und 

(2) in Form von Überführungen der Erdbebengefährdungsaussagen 

in Risikoaussagen, d. h. der Berechnung 

zu erwartender monetärer Verluste für verschiedene Eintreffenswahrscheinlichkeiten. 

Diese bilden die Grundlage 

für ein möglichst realistisches langfristig orientiertes Risi- 


Abb. 5.35: Vulnerabilitäts-(Schadens-)kurven für die repräsentativen Kommunengrößenklassen. 

Vulnerability (damage) curves for the representative community classes. 

Abb. 5.34: Vulnerabilitätskurven für die 

Vulnerabilitätsklassen A bis D der EMS- 

98 (Grünthal, 1998). 

Vulnerability curves for the EMS-98 vulnerability 

classes A to D (Grünthal, 1998). 

komanagement. Besonders nützlich stellen 

sich quantitative Vergleiche des Risikos 

durch verschiedene Naturgefahren dar. 

Im Rahmen des Deutschen Forschungsnetzes 

Naturgefahren (DFNK) wurden 

die Risiken durch Erdbeben, Hochwasser 

und Stürme für den Raum Köln untersucht. 

Nach Vorliegen der DFNK-Resultate 

wurde unter Koordinierung der Sektion 

5.3 ein quantitativer Vergleich der 

Risiken für die Stadt Köln vorgenommen. 

Hierbei galt es, die Arbeiten zur Risikoabschätzung 

zu Erdbeben, Hochwasser 

und Stürmen so zu gestalten, dass die 

Ergebnisse einen direkten Vergleich erlauben 

und dieser Vergleich für einen 

möglichst weiten Bereich betrachteter 

Eintreffenswahrscheinlichkeiten möglich 

ist, wie diese typischerweise für die Erdbebengefährdung 

angegeben werden. Die 

hier vorgestellten Ergebnisse sind das 

Produkt einer engen Zusammenarbeit des 

GFZ Potsdam mit der Bauhaus-Universität 

Weimar, wo die wesentlichen Komponenten 

der Quantifizierung des Erdbebenrisikos 

untersucht wurden, sowie mit 

der Universität Leipzig, an der das Sturmrisiko 

abgeschätzt wurde. Innerhalb des 

GFZ erfolgte eine Zusammenarbeit mit 

der Sektion 5.4, wo das Hochwasser- 

Tab. 1: Liste von Kommunen mit den höchsten Risikowerten; erwartete Verluste durch mögliche Schäden an Wohnbauten 

für eine Nichteintreffenswahrscheinlichkeit von 90 % in 50 Jahren. 

List of the 15 communities with the highest risk values; estimated losses due to probable damage to the residential 

building stock for a 90 % non-exceedance probability in 50 years. 

Community Location Federal state Population Seismic risk 

(thousand) (million euro) 

Köln 50°56'N 6°55'E North Rhine-Westphalia 968 790 

Aachen 50°46'N, 6°05'E North Rhine-Westphalia 246 560 

Tübingen 48°31'N, 9°03'E Baden-Württemberg 82 470 

Mönchengladbach 51°11'N, 6°26'E North Rhine-Westphalia 263 440 

Reutlingen 48°29'N, 9°12'E Baden-Württemberg 111 430 

Stuttgart 48°47'N, 9°11'E Baden-Württemberg 587 400 

Albstadt 48°13'N, 9°00'E Baden-Württemberg 47 375 

Düren 50°48'N, 6°28'E North Rhine-Westphalia 92 330 

Freiburg im Breisgau 47°59'N, 7°50'E Baden-Württemberg 208 290 

Konstanz 47°40'N, 9°10'E Baden-Württemberg 79 280 

Karlsruhe 49°00'N, 8°23'E Baden-Württemberg 280 255 

Lörrach 47°37'N, 7°39'E Baden-Württemberg 46 220 

Balingen 48°16'N, 8°51'E Baden-Württemberg 34 210 

Frankfurt am Main 50°08'N, 8°40'E Hessen 641 200 

Kerpen 50°52'N, 6°41'E North Rhine-Westphalia 64 195 


391

392 

Abb. 5.36: Erwartete Verteilung des seismischen Risikos (Millionen Euro) in deutschen Kommunen für eine Nichteintreffenswahrscheinlichkeit 

von 90 % in 50 Jahren (Tyagunov et al., 2006, submitted). 

Estimated distribution of seismic risk (millions of euro) in communities of Germany for a non-exceedence probability 

of 90 % in 50 years (Tyagunov et al., 2006, submitted). 


isiko und wesentliche Teile zum Werteinventar 

untersucht wurden. 

Als Zielgebiet für diese Multirisiko-Studie 

wurde Köln ausgewählt, da hier eine 

Millionenstadt mit einer hohen Wertekonzentration 

sowie einem bedeutenden 

Industrie- und Dienstleistungssektor zusammentreffen 

mit den drei behandelten 

Naturgefahren: Erdbeben, Sturm und 

Hochwasser. Stürme nehmen eine Spitzenposition 

in der jährlichen Schadensstatistik 

ein; z. B. übersteigen die Sturmschäden 

im Jahr 1999 landesweit zehn 

Milliarden Euro. Auch Überschwemmungsereignisse 

können ein großes Ausmaß 

annehmen wie bei der Elbe-Flut 

2002 mit mehr als neun Milliarden Euro. 

Bei der Rhein-Überschwemmung im 

Jahre 1995 erreichten die Schäden in 

Köln 33 Millionen Euro. 

Während Bedrohungen durch Stürme 

und Hochwasser der Bevölkerung sehr 

bewusst sind, trifft dies auf die ungleich 

selteneren Erdbeben nicht zu. So ist z. B. 

das Roermond-Beben von 1992 (M W = 

5,3), bei dem 7.200 Gebäude beschädigt 

wurden und Schäden von 150 Millionen 

Euro auftraten, nur den Betroffenen noch 

gegenwärtig. Jedoch kann mit weitaus 

stärkeren Beben gerechnet werden. Die 

größten historischen Beben im Raum Köln i. w. S. erreichten 

M L = 6,1 bzw. M W = 5,8, paläoseismologisch nachgewiesene 

Beben in der Region sogar M W von 6,7. 

Um die Ergebnisse der drei Naturgefahrenarten vergleichen 

zu können, wurde eine unter den einzelnen Bearbeiterteams 

abgestimmte Vorgehensweise mit folgenden 

Analyseschritten beschritten: 

1. Gefährdungseinschätzungen in Form der Wahrscheinlichkeit 

des Auftretens potentieller Schadenereignisse, 

wobei, entgegen der üblichen Vorgehensweise, auch 

für Stürme und Hochwasser ein möglichst breiter 

Bereich zu überdeckender Eintreffenswahrscheinlichkeiten 

zu fordern ist 

2. Abschätzung des Werteninventars 

3. Vulnerabilitätsabschätzungen, die sehr unterschiedlich 

für die betrachteten Gefahrenarten ausfallen; so 

ist z. B. bei Stürmen der Fassaden- und Dachbereich 

vulnerabilitätsbestimmend, dagegen bei Hochwasser 

die Ausbildung der untersten Teile von Gebäuden 

4. Verlustabschätzung durch Überlagerung der Werteverteilung 

mit den Vulnerabilitäten sowie den zugehörigen 

Szenarien von Ereigniswahrscheinlichkeiten 

5. Synthese der Verlustzuweisungen für die drei Gefahrenarten 

Die Gefährdungsabschätzungen für die drei betrachteten 

Gefahrenarten basieren auf sehr unterschiedlich langen 

Abb. 5.37: Gefährdungsabschätzungen für Köln (Grünthal et al., 2004). 

Seismic hazard assessment for the area of Cologne (Grünthal et al., 2004). 

Beobachtungsreihen. Während für das Sturmrisiko eine 

nur 30-jährige Beobachtung der stündlichen Windgeschwindigkeiten 

(1971 bis 2000) zur Verfügung stand, sind 

es für Hochwasser 120-jährige Abflussmessreihen am Pegel 

Köln. Für Erdbeben können die Katalogdaten der letzten 

1.000 Jahre für ein zu nutzendes Untersuchungsgebiet von 

mehr als 300 km um die Stadt Köln herangezogen werden, 

die hinsichtlich der Intensitäten von 8 ab ca. 1.250 

hinreichend vollständig sind. Paläoseismologische Daten 

überdecken ca. 15.000 Jahre. Grünthal et al. (2004) ermittelten 

das Werteinventar für Köln und die Abschätzung 

der Vulnerabilitätsverteilungen der Gebäudestruktur für 

die Gefahren durch Sturm, Hochwasser und Erdbeben. 

Die Abb. 5.37 zeigt die Erdbebengefährdungskurve für 

das Zentrum von Köln, kalibriert für den Erschütterungsparameter 

„makroseismische Intensität“. Zusätzlich sind 

drei Szenarien der räumlichen Intensitätsverteilung für 

unterschiedliche Eintreffenswahrscheinlichkeiten dargestellt. 

Die Synopsis der monetären Verluste durch Sturm, 

Hochwasser und Erdbeben ist in Abb. 5.38 dargestellt. In 

der Risikobewertung dominiert für große Eintreffenswahrscheinlichkeiten 

von 10 –1 bis etwa 5 . 10 –3 p. a. das Risiko 

durch Überschwemmungen und Stürme. 

Aufgrund der exponierten Lage Kölns am regelmäßig 

Hochwasser führenden Rhein dominiert das Hochwasserrisiko. 

Hinsichtlich der Windexposition der Stadt ist diese 

eher als geschützt zu bewerten. Schadenbeben spielen für 

Köln bis zum Wahrscheinlichkeitsniveau von 5 . 10 –3 p. a., 


393

394 

Abb.5.38:Risikokurven für Hochwasser, Erdbeben und Sturm für Köln unter 

Berücksichtigung der Schäden an Gebäuden und in den Bereichen Privathaushalte, 

Handel und Industrie (Grünthal et al., 2004). 

Risk curves of the hazards due to windstorms, floods and earthquakes for 

the city of Cologne considering losses at buildings and in the sectors private 

housing, commerce and industry (Grünthal et al., 2004). 

dem eine mittlere Wiederholungsperiode T von 200 Jahren 

entspricht, keine Rolle. Für Laien unerwartet, dominieren 

für mittlere Wiederholungsperioden T von 200 Jahren 

und größer die Erdbeben das Risikopotential durch 

Naturgefahren. Zumindest scheint das Erdbebenrisiko für 

derartige Werte von T etwa gleich groß ausgebildet zu sein 

wie für Hochwasser. 

Die Studie zeigte, dass Multirisikoabschätzungen für städtische 

Räume, die große Bereiche von Eintreffenswahrscheinlichkeiten 

überdecken, möglich sind. Die vorgelegten 

Ergebnisse der Eintreffenswahrscheinlichkeiten monetärer 

Verluste sind ein wesentlich besserer Indikator für 

das Risikomanagement als die bisher üblicherweise angegebenen 

mittleren erwarteten jährlichen Schäden, die von 

häufigen Ereignissen ohne katastrophale Ausmaße domi- 

niert werden, während für das Risikomanagement 

quantifizierte vergleichende 

Aussagen zu Katastrophenlagen entscheidend 

sind. 

Konstante Zeitintervalle zwischen Starkbeben? 

– Numerische Modellrechnungen 

an Transform-Störungen 

In der Analyse der seismischen Gefährdung 

wird in zunehmendem Maß die Zeitabhängigkeit 

des Auftretens von Starkbeben 

berücksichtigt. In diesem Zusammenhang 

interessiert insbesondere die 

Frage, wie die Zeitintervalle zwischen 

diesen Starkbeben charakterisiert werden 

können. 

Basierend auf einem numerischen Modell 

einer nicht-planaren Transform-Störung 

wurden numerische Simulationen 

durchgeführt, die zu wiederholten Bruchprozessen 

unterschiedlicher Stärke auf 

dieser Störung führen. Die Geometrie 

und Belastung der Störung im Modell 

wurde so gewählt, dass die verschiedenen Störungssegmente 

entweder eine Transpressions- oder ein Transtensionsregime 

zeigen. Zur Beschreibung der Festigkeit der 

Störung wurde ein Mohr-Coulomb-Kriterium verwendet. 

Wesentliche Vorraussetzung für den wiederholten Bruch 

ist eine Heilung des Festigkeitsverlustes der Störung nach 

einem singulären Bruchprozess, so dass ein erneuter 

Bruch mit Festigkeitsverlust möglich ist. Die numerischen 

Simulationen wurden mit dem Distinct-Element-Programm 

3DEC durchgeführt. 

Die Analyse der simulierten Bruchereignisse liefert folgende 

Ergebnisse: 

• Die Verteilungen der Magnitudenhäufigkeiten zeigt in 

einem signifikanten Magnitudenbereich ein log-line- 

Abb. 5.39: Magnituden Häufigkeiten für verschiedene Modellparameter in den numerischen Rechnungen (a bis e): 

●-Störungssegment mit Transpression, ◆-Segment mit Transtension und ■-Häufigkeit für alle Beben (Schelle et al., 

2006, submitted). 

Magnitude-frequency curves for different parameter sets in the numerical simulation (a-e): ●-transpressional segment, 

◆-transtensional segment and ■-total number of events (Schelle et al., 2006, submitted). 


ares Verhalten in Übereinstimmung mit dem Gutenberg-Richter-Gesetz 

(logN = a – bM). 

• Der Abfall der Magnitudenhäufigkeit, der b-Wert, 

hängt stark von den verwendeten elastischen Parametern 

ab (Abb. 5.39). 

• In einem steiferen Modell sind die zugehörigen b- 

Werte eher klein (~ 0,5), so dass die Deformationsenergie 

bevorzugt durch wenige, aber starke Bruchereignisse 

freigesetzt wird. 

• Wenn die Elastizitätsparameter reduziert werden, steigt 

der b-Wert bis auf ca. 2 an und die Energie wird durch 

häufigere, aber weniger starke Ereignisse freigesetzt. 

• Der Einfluss des Deformationsregimes – Transpression 

oder Transtension – ist auf den b-Wert relativ 

gering im Gegensatz zu den Elastizitätsparametern. 

• Eine Verifizierung des seismischen Zyklus durch die 

Analyse der verschiedenen Zeitintervalle zwischen 

Abb. 5.40: Häufigkeit des Auftretens verschiedener 

Zeitintervalle zwischen Starkbeben: 

(a) extrapolierte Verteilungen für 

verschiedene Belastungsraten in den 

Modellrechnungen und (b) Vergleich 

der gemittelten Modellverteilung mit 

einer angepassten Log-Normalverteilung 

(Schelle et al., 2006, submitted). 

Temporal distributions of inter-event 

times for main events only: (a) extrapolated 

distributions for different loading 

rates applied in the numerical simulations 

and (b) comparison between the 

averaged inter-event time distribution 

with a least squares log-normal approximation 

(Schelle et al., 2006, submitted). 

starken Bruchereignissen auf einem Störungssegment 

zeigt, dass diese nicht konstant sind, sondern eine breite 

Verteilung haben (Abb. 5.40a), die mit einer Log- 

Normalverteilung sehr gut beschrieben werden kann 

(Abb. 5.40b). 

• Die Analyse der Korrelation zwischen starken Bruchereignissen 

benachbarter Segmente liefert ebenfalls 

keine eindeutig definierten Zeitintervalle zwischen 

den Beben auf verschiedenen Segmenten. 

Untersuchung von Strain-Textur-Wechselwirkungen an 

geologischen Proben mittels Neutronen-Flugzeit-Diffraktion 

Im Berichtszeitraum wurde die Ausstattung des Diffraktometers 

Epsilon-Mds am Flugzeitkanal 7A des IBR-2 

(JINR Dubna) mit Detektoren weiter vervollständigt. In 

Abb. 5.41: Multidetektordiffraktometer Epsilon-Mds, eingeschlossen 

in eine Isolierkammer zur Wärmestabilisierung 

während Langzeitexperimenten (Foto: C. Scheffzük, 

GFZ). 

The multidetector-diffractometer Epsilon-Mds, locked into 

a cabin to assure continues temperature conditions, first 

of all for long-time experiments. 


395

396 

diesem Zusammenhang ist neben der notwendigen Anpassung 

der Elektronik zur Datenaufnahme auch ein kompletter 

Austausch der Hochspannungsversorgung für die 

Detektoren erfolgt. Vorbereitet wurde die weitere Ausgestaltung 

der in situ operierenden Zusatzgeräte mit der 

Installation eines Systems zur Aufnahme und Ortung 

akustischer Emissionen während der Deformationsexperimente 

(Ultraschallmessung). 

Damit besteht die Experimentumgebung des Multidektorendiffraktometers 

Epsilon-Mds aus einer (einaxialen) 

Deformationseinrichtung (Exstress), einer berührungsfreien 

Makro(Proben)Strain-Messeinrichtung (Laser-Extensometer) 

und einem System zur Messung von Schallwellengeschwindigkeiten 

mit der Möglichkeit, akustische 

Emissionen während der Deformationsprozesse aufzunehmen 

und zu lokalisieren. 

Die aus Experimenten mit dem Diffraktometer Epsilon- 

Mds zu verschiedenen Jahreszeiten gewonnenen Datensätze 

waren in der Vergangenheit durch Temperaturschwankungen 

in der Versuchshalle untereinander nur 

begrenzt vergleichbar und die Ergebnisse von Langzeitexperimenten 

waren bisher nur bedingt sinnvoll. Zur Temperaturstabilisierung 

wurde das Diffraktometer deshalb 

vollständig in eine isolierende Hülle eingeschlossen. Die 

Temperatur wird automatisch gemessen und gesteuert. 

Die Einrichtung gestattet unter noch nicht voll ausgeschöpften 

Möglichkeiten des Betriebs eine Temperaturstabilisierung 

im Bereich von +0,2 °C (Abb. 5.41). 

Die Haltbarkeit von Natursteinen als Werkstein (z. B. für 

Täfelungen an Gebäuden) wird von residuellem Strain und 

Textureigenschaften wesentlich mitbestimmt. Die Einstellung 

eines residuellen Straingleichgewichts und die 

Textureigenschaften sind neben anderen Faktoren wichtige 

Einflussgrößen, die zu Deformationen führen und in 

der Folge oft das Ab- bzw. Zerfallen von Bauteilen bewirken. 

Zum besseren Verständnis der ablaufenden Deformationsvorgänge 

wurden Strain- und Texturmessungen an 

Proben durchgeführt, die verschiedene Entwicklungsstadien 

zwischen undeformierten, texturierten, frisch in 

Steinbrüchen entnommenen Proben bis hin zu verschiedenen 

Stadien der Nutzungsdauer als Werkstein und experimentell 

verformten Natursteinen repräsentieren. 

Ausgewertet wurden fünf Kalzit-Bragg-Reflexe (011 _ 2), 

(101 _ 4), (0006), (112 _ 0) und (112 _ 3). Für die f-Flächen 

(011 _ 2) einer stark deformierten Paneelplatte ergab sich ein 

positiver Strain (Dilatation) von = (150 + 90) . 10 –6 , während 

sowohl eine frisch gebrochene Probe als auch eine 

vergleichsweise noch gut erhaltene Fassadenplatte negativen 

Strain (Kompression) von = –(120 + 80) . 10 –6 bzw. 

= –(180 + 70) . 10 –6 zeigten. Negativer Reststrain von 

= –(397 + 117) . 10 –6 wurde auch für den (101 _ 4)-Bragg- 

Reflex einer stark deformierten Fassadenplatte bestimmt, 

während sich ein nahezu strainfreier Zustand sowohl für 

eine kürzlich gebrochene als auch gut erhaltene Fassadenplatte 

ergab. Peakverbreiterungen (FWHM) z. B. für 

den [112 _ 0]-Reflex (a-Achse) von 21,8 + 1,0 Zeitkanälen 

für eine stark deformierte Probe gegenüber 17,8 + 0,3 

Zeitkanälen für eine gebrochene bzw. auch eine gut erhaltene 

Fassadenplatte verweisen zusätzlich auf die Existenz 

von Mikrospannungen (Spannungen 2. Art). Kristallographische 

Vorzugsorientierung und Kornformanisotropie 

werden als Ursache für die ermittelten, z. T. beträchtlichen 

Unterschiede der richtungsabhängigen Reststrainwerte 

gesehen. 

Unter der Bezeichnung „Zuckerdolomit“ ist ein aufgrund 

seiner speziellen Eigenschaften, vor allem im Zusammenhang 

mit bergbaulichen Tätigkeiten, gefürchtetes Gestein 

bekannt. Eine solche Dolomit-Anhydrit-Probe aus der 

Piora-Mulde, entnommen aus dem Kernmaterial einer der 

Erkundungsbohrungen zum Gotthard-Basistunnel, wurde 

phasenspezifisch hinsichtlich ihrer Textur- und Reststrain- 

Eigenschaften untersucht, um den Einfluss von Textur/ 

Reststrain-Wechselwirkungen auf das spezifische geomechanische 

Verhalten des Gesteins zu prüfen. Solche 

Gesteine treten betont in Zonen hoher Deformations- und 

Metamorphosegrade auf. Die untersuchte Probe zeigte 

mikrostrukturell deutliche Deformationsanzeichen am 

Anhydrit und Dolomit, aber auch frischen, nicht vergipsten 

Anhydrit. 

Die Texturen der Anhydrit- (35 %) und Dolomitkomponente 

(55 %) des Gesteins sind hinsichtlich Regelungstyp 

und -intensität verschieden (Abb. 5.42). Zweifache Klein- 

Abb. 5.42: Polfiguren für Dolomit (3) und Anhydrit (1) mit 

den ermittelten Strainwerten für sieben Richtungen (2 bis 

8) an sieben Probenpositionen (a bis g). 

Pole figures for the components dolomite (3) and anhydrite 

(1) in a metamorphic rock, combined with strain 

values due to seven sample's directions (2 to 8) at seven 

positions on the sample (a to g). 


kreisregelung um Kegelachsen im Winkel von ca. 45° zur 

Foliation (s x) charakterisieren die Dolomittextur, eine Gürtelregelung 

etwa um die Foliationsfläche (s x) die Anhydrittextur. 

Die mit Epsilon-Mds geschaffenen Experimentiermöglichkeiten 

gestatten die gleichzeitige Bestimmung von 

Reststraindaten für sieben Probenrichtungen (Kollimatorpositionen 

2 ... 8). Damit lässt sich durch definierte Probenbewegungen 

jeder beliebigen Position einer Texturpolfigur 

ein Strainwert zuordnen. Für Darstellungen kristallographischer 

Vorzugsorientierungen von Netzebenen 

eines Minerals (Polfiguren) in einem mehrphasigen Gestein 

lassen sich so für beliebige Orientierungen Strainwerte 

bestimmen. Die Abb. 5.43 zeigt ein Beispiel für die 

Gesteinstextur des untersuchten Zuckerdolomits. Für drei 

Netzebenen des Dolomits und eine Anhydritnetzebene 

sind die Strainwerte für sieben Positionen (2 ... 8) der 

Gesteinstextur (identisch mit Richtungen bezogen auf das 

Probenkoordinatensystem [x,y,z]) gezeigt. Die Bestimmungen 

sind an sieben Messpunkten (a bis g) im Abstand 

von je 7 mm entlang eines Profils senkrecht zur Foliation 

(ss/s x) des Gesteins erfolgt. 

Diese Ergebnisse und die beträchtlichen Unterschiede der 

mechanischen Eigenschaften beider am Aufbau des Gesteins 

beteiligten Minerale, wie sie ihren Ausdruck in verschiedenen 

Tensorkomponenten finden (Verhältnis 1:2 

und höher), lassen erwarten, dass Reststrain in Verbindung 

mit den deutlich unterschiedlichen Textureigenschaften 

des Gesteins sein typisches mechanisches Verhalten weitgehend 

mitbestimmen. Das würde bedeuten, dass weniger 

die stofflichen Besonderheiten mit der Hydratisierung 

des Anhydrits als die Richtung der mechanischen Einwirkung 

den Festigkeitsverlust des Gesteins mitbestimmt. 

Ingenieurhydrologie 

Der hydrologische Kreislauf ist durch eine außerordentlich 

hohe raum-zeitliche Variabilität gekennzeichnet. 

Große Fortschritte bei der Quantifizierung des hydrologischen 

Kreislaufs werden durch die Kombination von 

Abb. 5.43: Grafische Darstellung der Experimentergebnisse: überwiegend gegenläufige Reststrainbeziehungen für die 

untersuchten Anhydrit- und Dolomitnetzebenen. 

Graphical presentation of test results: mostly opposite behaviour of residual strain values for the dolomite component 

as compared to that of anhydrite. 


397

398 

räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Beobachtungen 

mit hydrologischen Modellen erwartet. 

Globale Hydrologie und Satellitenmission GRACE 

Zeitliche Änderungen der Wasserspeicherung auf den Kontinenten 

stellen eine wesentliche Komponente im Wasserkreislauf 

der Erde dar. Speicheränderungen tragen z. B. 

über den Gerinneabfluss in die Ozeane zu Meeresspiegelschwankungen 

bei. Basierend auf den zeitvariablen 

Schwerefeldern der Satellitenmission GRACE (Gravity 

Recovery and Climate Experiment) ist es nun erstmals 

möglich, die Variationen der Wasserspeicherung für große 

Flusseinzugsgebiete und für Kontinente zu bestimmen. 

Die globale Hydrologie ist somit ein wichtiger Anwendungsbereich 

der vom GFZ Potsdam geleiteten GRACE- 

Mission und ein zentraler Baustein im Helmholtz-Programm 

„Geosystem: Erde im Wandel“. 

In der Sektion 5.4 Ingenieurhydrologie wurde das an der 

Universität Kassel entwickelte globale hydrologische 

Modell WGHM zur Simulation des kontinentalen Wasserkreislaufs 

der Erde und aller Speicherkomponenten 

(Grundwasser, Bodenwasser, Schnee, Oberflächengewässer) 

eingerichtet. Die Modellergebnisse zeigen z. B. starke 

saisonale Variationen der Wasserspeicherung in tropischen 

Regionen, insbesondere entlang der großen Ströme 

und ihrer Überschwemmungsgebiete, sowie in Gebieten 

der hohen Breiten mit einer starken Schneeakkumulation 

im Winter (Abb. 5.44). 

Der Vergleich der Modellergebnisse mit den Wasserspeicheränderungen, 

die aus zeitvariablen Schwerefeldern von 

GRACE abgeleitet wurden, zeigt eine überwiegend gute 

Übereinstimmung der räumlichen und zeitlichen Muster 

auf der globalen Skala und für große Einzugsgebiete 

(Abb. 5.45). Die GRACE-Daten ermöglichen es aber 

auch, Defizite in den hydrologischen Modellen zu identifizieren. 

So weist das verfrühte Auftreten des jährlichen 

Speichermaximums im Modell (Abb. 5.45) auf eine unzureichend 

simulierte Retention des Abflusses in Überschwemmungsgebieten 

oder Seen hin. Arbeitsschwerpunkte 

in künftigen Projekten im Rahmen des BMBF/ 

DFG-Sonderprogramms „Geotechnologien: Erfassung 

des Systems Erde aus dem Weltraum“ sowie des DFG- 

Schwerpunktprogramms „Mass Transport and Mass Distribution 

in the Earth System“ sind die verbesserte Separation 

hydrologischer Signale aus GRACE-Daten sowie 

die Weiterentwicklung der globalen hydrologischen Modellierung 

unter Nutzung von GRACE-Daten und anderen 

globalen Datensätzen. 

Modellierung und Monitoring für kleine Einzugsgebiete 

Im DFG-geförderten Antragsbündel „Abflussbildung und 

Einzugsgebietsmodellierung“ analysierte die Sektion 5.4 

die hydrologischen Prozesse im Löhnersbach in den Salzburger 

Alpen (Abb. 5.46). Ziel der Arbeiten war es, die 

dominanten Abflussbildungsprozesse im Feld zu identifizieren 

und darauf aufbauend ein prozessnahes hydrologisches 

Simulationsmodell zu erstellen. Zur Identifizierung 

Abb. 5.44: Saisonale Variation der Wasserspeicherung (Differenz zwischen den Monaten mit dem größten und geringsten 

Speicherinhalt eines jeden Jahres), berechnet mit dem globalen hydrologischen Modell WGHM für den Zeitraum 

1961 bis1995 (in Millimeter Wassersäule). 

Seasonal variations of continental water storage (difference between the months with maximum and minimum water 

storage in each year), simulated with the global hydrological model WGHM for the period 1961 to1995 (in equivalent 

water height [mm]). 


Abb. 5.45: Beispiele für die zeitliche Variation der Wasserspeicherung in großen Einzugsgebieten gemäß GRACE und 

den globalen hydrologischen Modellen WGHM und LaD (Variationen um den Mittelwert für 18 Monate in 2003 und 

2004, in mm Wassersäule). 

Examples for temporal variations of water storage in large river basins, derived from GRACE time-variable gravity 

fields and from the global hydrological models WGHM and LaD (variations around the mean of 18 months in 2003 

and 2004, in equivalent water height [mm]). 

Abb. 5.46: Blick auf das hydrologische Versuchseinzugsgebiet Löhnersbach 

in den Salzburger Alpen (Foto: Ulli Drabek). 

View of the hydrological experimental basin Löhnersbach, Salzburger Alps. 

der maßgebenden Prozesse wurden in ausgewählten Testflächen 

hydrometrische, tracerhydrologische und hydrochemische 

Methoden sowie geophysikalische Verfahren 

eingesetzt. Damit konnten die dominanten Prozesse, nämlich 

Sättigungsflächenabfluss (Abb. 5.47) und schneller 

Zwischenabfluss sowie schneller und langsamer Grund- 

Abb. 5.47: Die gesättigten Flächen sind einer der dominanten 

Abflussbildungsprozesse im Löhnersbach und 

bestimmen zu einem erheblichen Teil die Reaktion des 

Einzugsgebiets auf Niederschlag (Foto: Mariella Zapletal). 

Saturated overland flow is a dominant runoff generation 

process in the Löhnersbach catchment. Saturated areas 

largely determine the runoff response of the basin. 

wasserabfluss erfasst werden. Darüber 

hinaus konnten die jeweiligen Entstehungsräume 

sowie die meteorologischen 

Bedingungen, unter denen diese Prozesse 

auftreten, bestimmt werden. 

Ziel der modelltechnischen Arbeiten war 

es, basierend auf den identifizierten Prozessen 

ein Simulationsmodell zu erstellen, 

das die dominanten Abflussbildungsprozesse 

abbildet. Dabei sollte die 

Komplexität des Modells die im Feld 

gewonnene Prozesskenntnis nicht übersteigen. Für die 

dominanten Abflussbildungsprozesse mit den entsprechenden 

Raumeinheiten wurden Simulationsmodule entwickelt 

und anhand der Daten der Testflächen plausibilisiert. 

Diese Module sowie die an den Abflussprozessen 

orientierte Raumgliederung sind die Grundlage für die 

hydrologische Simulation im übergeordneten Einzugsgebiet 

Löhnersbach. Dieses mesoskalige Modell wurde mit 

Hilfe einer „multi-site“-Validierung, also einem Vergleich 

von Abflussmessungen an mehreren Stellen im Einzugsgebiet, 

bewertet (Abb. 5.48). Hieraus lässt sich folgern, 

dass das Modell nicht nur die Abflüsse am Gebietsauslass, 

sondern auch die einzugsgebietsinternen Abflussprozesse 

adäquat beschreibt. 

Gefährdung und Risiko durch Hochwasser 

Neben Erdbeben ist Hochwasser ein Schwerpunkt des 

GFZ Potsdam im Programmthema „Naturkatastrophen 

und Vorsorgestrategien“. Dieses Thema hat durch die 

Hochwasserkatastrophen der letzten Jahre in Mitteleuropa 

eine neue Aktualität bekommen. So finanziert das 

BMBF seit Januar 2005 das Forschungsprogramm „Risikomanagement 

extremer Hochwasserereignisse“, das 

35 Verbundprojekte umfasst. Aufgrund der vielfältigen 

Akteure und Interessenlagen (Wasserwirtschaft, Umwelt, 

Versicherungswirtschaft, Katastrophenschutz etc.) hat das 

BMBF neben der Projektträgerschaft eine inhaltliche 

Koordinierung des gesamten Förderprogramms als not- 


399

400 

Abb. 5.48: Vergleich von simulierten und gemessenen Abflüssen am Pegel Rammern sowie an verschiedenen Zubringern 

im Löhnersbachgebiet. 

Comparison of simulated and observed runoff at gauge Rammern and at different tributaries of the Löhnersbach catchment. 

wendig erachtet. Diese Aufgabe hat das GFZ übernommen. 

Im Juni 2005 fand am GFZ das Kick-off Meeting 

der Fördermaßnahme mit fast 200 Teilnehmern statt, 

woran auch Vertreter der operationellen Katastrophenvorsorge 

teilnahmen. Die enge Verknüpfung von Wissenschaft 

und Katastrophenvorsorge soll die Implementierung 

der wissenschaftlichen Ergebnisse in der Praxis 

sichern. 

Methoden zur Abschätzung des Hochwasserrisikos 

Die Sektion Ingenierhydrologie entwickelt Methoden zur 

Analyse des Hochwasserrisikos in Flusseinzugsgebieten. 

Ein Schwerpunkt dieser Arbeiten ist die Ableitung von 

Extremszenarien, also Ereignissen, die sehr selten sind 

und große gesellschaftliche Auswirkungen haben. Für solche 

Ereignisse können die Ansätze, die zur Berechnung 

häufigerer Ereignisse entwickelt wurden, nicht angewendet 

werden: Die Extrapolation versagt für seltene Ereignisse. 

Am GFZ wurde ein Ansatz entwickelt, der es erlaubt, entlang 

von Flüssen extreme Hochwasserszenarien einschließlich 

einer Angabe der Eintrittswahrscheinlichkeit 

abzuleiten. Dabei werden Simulationsmodelle, z. B. zur 

Berechnung der hydraulischen Prozesse im Fluss, mit 

wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansätzen zu einem probabilistischen 

Modell gekoppelt. Die Abb. 5.49 und 5.50 

zeigen die Anwendung dieses Ansatzes auf den Niederrhein 

von Köln bis zur deutsch-niederländischen Grenze. 

Mögliche Deichbrüche, die Zuflüsse in das System sowie 

die Überlagerung der Hochwasserwellen des Rheins bei 

Köln und der beiden Nebenflüsse Lippe und Ruhr werden 

mit probabilistischen Ansätzen beschrieben. 

Abb. 5.50 vergleicht diesen Ansatz mit der statistischen 

Extrapolation auf Basis beobachteter Abflussdaten am 

Beispiel des Pegels Rees an der deutsch-niederländischen 

Grenze. Für Ereignisse mit Wiederkehrintervallen bis ca. 

60 Jahre stimmen die Extremwertstatistik und das probabilistische 

Modell mit den Beobachtungsdaten überein. 

Ab Jährlichkeiten von ca. 300 Jahren weicht die Kurve des 

probabilistischen Modells von den beiden extremwertsta- 

tistischen Funktionen ab. Dies ist dadurch zu erklären, dass 

bei sehr hohen Abflüssen Deichbrüche eintreten können. 

Das Wasser strömt durch die Deichbreschen ins Hinterland, 

wodurch die Hochwasserwelle unterhalb des Deichbruchs 

reduziert wird. Die Berücksichtigung von Deichbrüchen 

resultiert in geringeren Abflüssen am Pegel Rees. 

Abb. 5.49: Anwendung des probabilistischen Modells zur 

Abschätzung von Hochwasserrisiken am Niederrhein. 

Das Modell berücksichtigt den Zufallscharakter (a) der 

Zuflusswellen in das System (Hochwasserwellen Rhein bei 

Köln, Lippe, Ruhr), (b) der zeitlichen Überlagerung der 

Zuflusswellen und (c) des Auftretens von Deichbrüchen. 

Application of the probabilistic model for flood risk 

assessments. The model takes into account the probabilistic 

nature of (a) the type of the flood waves at the boundaries 

of the system (flood waves of the Rhine at Cologne, 

the tributaries Lippe and Ruhr), (b) the temporal coincidence 

of flood peaks at the main river and tributaries 

and (c) levee breaches. 


Abb.5.50:Hochwasserwahrscheinlichkeitskurven für den Pegel Rhein/Rees. 

Die Extremwertstatistik überschätzt die Abflüsse für Wiederkehrintervalle 

größer ca. 300 Jahre. Bei solchen Ereignissen treten oberhalb von Rees 

Deichbrüche auf, so dass die Hochwasserwellen deutlich reduziert werden. 

Das am GFZ Potsdam entwickelte probabilistische Modell berücksichtigt 

diesen Effekt. 

Flood frequency curves for the gauge Rees at the river Rhine. The extreme 

value distributions overestimate discharges that exceed a return period of 

about 300 years. During such events levee breaches will probably occur 

upstream of Rees so that the flood wave will be considerably reduced. The 

probabilistic model developed at GFZ Potsdam takes this effect into account. 

Das Abflussgeschehen im extremen Bereich wird somit 

von einem Prozess (Deichbruch und Ausbreitung der Hochwasserwelle 

im Hinterland) dominiert, der bei weniger 

extremen Ereignissen nicht eintritt. Da keine Beobachtungsdaten 

zu Hochwasserereignissen mit Deichbrüchen 

vorliegen, basiert die Extremwertstatistik auf falschen 

Annahmen. Erst die Integration von Prozesswissen 

und wahrscheinlichkeitstheoretischen 

Ansätzen macht die Extrapolation 

in den extremen Bereich möglich. 

Momentan wird diese Konzeption der 

Kopplung von Prozesssimulation und probabilistischen 

Ansätzen auf zusätzliche 

Prozesse erweitert. Dies betrifft insbesondere 

die hydrologischen Prozesse der 

Hochwasserentstehung in den Flusseinzugsgebieten. 

In diesen Zusammenhang 

Abb. 5.51: Räumliche Verteilung der 

befragten Privathaushalte, die vom 

Hochwasser 2002 betroffen waren. Eingefärbt 

sind die zugehörigen Postleitzahlenzonen. 

Insgesamt wurden 1.697 Haushalte 

interviewt, davon befinden sich 449 

im Donau-Einzugsgebiet, 1.248 im Elbe- 

Einzugsgebiet. 

Spatial distribution of interviewed private 

households, affected by the 2002 flood. 

ZIP-code areas are marked in colour. All 

together, 1697 private households were 

interviewed of which 449 are located in 

the Danube catchment and 1248 in the 

Elbe catchment. 

ordnet sich auch die Helmholtz-Nachwuchswissenschaftlergruppe 

„Integration 

von Informations- und Modellierungssystemen 

zur Verbesserung des Managements 

von großräumigen Hochwassersituationen“ 

ein – eine gemeinsame Aktivität mit 

der Universität Karlsruhe im Rahmen von 

CEDIM. Die Gruppe, finanziert durch den 

Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft, 

entwickelt ein übertragbares 

Modellierungssystem, das die 

Quantifizierung des Hochwasserrisikos in 

großen Flusseinzugsgebieten erlaubt. Darüber 

hinaus kann dieses System zur Wirksamkeitsanalyse 

von übergeordneten Hochwasserschutzstrategien 

eingesetzt werden. 

Besonderes Merkmal dieses Systems ist 

die Verwendung einer Software-Plattform 

zur Modellkopplung, so dass das Modellsystem 

schnell auf verschiedene Fragestellungen 

und Flusseinzugsgebiete angepasst 

werden kann. Dadurch wird es sehr 

einfach möglich, unterschiedliche Modellierungsansätze, 

Prozessbeschreibungen, 

Modelldiskretisierungen etc. vorzunehmen. 

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Abschätzung von 

Hochwasserschäden. Da neuerdings Entscheidung über 

Hochwasserschutzmaßnahmen durch Kosten-Nutzen-Analysen 

untersetzt werden müssen, besteht ein großer Bedarf 

nach fundierten Aussagen über die zu erwartenden Schäden 

im Falle von Hochwasserereignissen. Eine Analyse 


401

402 

des GFZ der in Deutschland verwendeten Daten und 

Methoden zu Hochwasserschäden zeigte, dass zurzeit nur 

sehr unsichere Aussagen über Hochwasserschäden möglich 

sind. Aus diesem Grund hat das GFZ zusammen mit 

der Deutschen Rückversicherung AG nach dem Hochwasser 

2002 an Elbe und Donau eigene Datensätze erhoben. 

Insgesamt 1.697 von der Augustflut 2002 betroffene 

Privathaushalte in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Bayern 

sowie 417 betroffene Unternehmen in Sachsen wurden 

durch computergestützte Telefoninterviews befragt. 

Abb. 5.51 zeigt das Untersuchungsgebiet der Privathaushaltsbefragung. 

Die per Zufallsstichprobe ausgewählten 

Haushalte und Unternehmen wurden zu verschiedensten 

Aspekten interviewt. Beispiele sind: 

• Hydrologische Ereigniskenngrößen (Wasserstand, 

Überflutungsdauer etc.) 

• Frühwarnung und durchgeführte Notmaßnahmen 

• Hochwassererfahrung der Haushalte und Unternehmen 

• Langfristige Vorsorgemaßnahmen 

• Größe und Qualität von Wohnung, Hausrat und Gebäude 

Zu jedem Schadenfall wurde somit eine Vielzahl an 

Zusatzinformationen erfasst, die weder aus der Schadenkompensation 

durch die Behörden oder die Versicherungswirtschaft 

noch aus anderen in Deutschland vorliegenden 

Schadendatenbanken hervorgehen. Damit eröffnet 

der Datensatz neue Möglichkeiten zur Analyse der Einflüsse 

auf Hochwasserschäden. Es lässt sich beispielsweise 

prüfen, inwieweit Aspekte wie Hochwassererfahrung 

oder Frühwarnung tatsächlich Hochwasserschäden 

Abb. 5.52: Schadenserhöhende Wirkung von Kontaminationen 

auf Hochwasserschäden am Hausrat von Privathaushalten. 

Die Säulen stellen die Mittelwerte der Vergleichsgruppen, 

die Punkte die Mediane und die Linien 

den Interquartilsbereich dar. Eine Kontamination durch 

Abwasser, Chemikalien oder Öl verursacht eine 35 bis 

45 %ige Erhöhung des Hausratsschadens. 

Damage increasing effect of contamination shown for 

flood damage ratios of household contents. The columns 

represent the means, the dots the medians and the lines 

the 25 to 75 % percentiles of the sub-samples. Contaminations 

by sewage, chemicals, or oil cause an increase of 

35 to 45 % of the contents damage ratio. 

reduzieren. Der Datensatz wurde hinsichtlich einzelner 

Einflussfaktoren ausgewertet. Dabei zeigte sich beispielsweise 

die schadenserhöhende Wirkung von Kontaminationen, 

insbesondere von Verunreinigungen durch Öl 

(Abb. 5.52), aber auch der mindernde Effekt von baulichen 

Vorsorgemaßnahmen. 

Großräumige Hochwasserszenarien 

Ein Aspekt der Hochwasserforschung, der in der Sektion 

Ingenieurhydrologie verstärkt bearbeitet wird, ist die Analyse 

von großräumigen Hochwasserereignissen. Hochwasserstudien 

beschränken sich in den meisten Fällen auf 

lokale und regionale Analysen. So gibt es bis heute keine 

wissenschaftlich abgesicherten Methoden zur Prognose 

von großräumigen Hochwassersituationen. Solche Prognosen 

werden aber für das Katastrophenmanagement von 

großräumigen Hochwassergefahrenlagen benötigt, die 

Länder- und/oder Einzugsgebietsgrenzen überschreiten. 

Auch die Rückversicherungsindustrie braucht zur Gestaltung 

ihrer Versicherungspolicen solche Aussagen. Das 

GFZ untersucht gezielt die Frage, wie großräumige Schadenlagen 

prognostiziert werden können. Hierbei gibt es 

zwei Hauptprobleme zu lösen: (a) die Generierung großräumiger 

Überschwemmungsszenarien, und (b) die skalenadäquate 

Analyse auf Basis der großräumig verfügbaren 

Datensätze. 

Großräumige Überschwemmungsszenarien müssen realitätsnah 

sein, d. h. sie müssen prinzipiell auch eintreten 

können. Die heute vorliegenden großräumigen Szenarien, 

wie z. B. der länderübergreifende Rheinatlas, zeigen Überschwemmungsflächen 

mit einheitlichen Wiederkehrintervallen 

im gesamten Flusseinzugsgebiet. Solche Szenarien 

sind für große Flussgebiete unrealistisch und überschätzen 

das Hochwasserrisiko. Eine Analyse von Hochwasserereignissen 

am Rhein zeigt, wie unterschiedlich die 

Wiederkehrintervalle verteilt sind (Abb. 5.53). Während 

das Rheinhochwasser im März 1988 vor allem den Mittelrhein 

getroffen hat, waren die Ereignisse 1993 und 1995 

am Niederrhein am schlimmsten; 1999 war nur der Oberrhein 

betroffen. In einem von Aon Rück finanzierten Projekt 

erarbeitet das GFZ momentan eine Methode, mit der 

realistische räumliche Verteilungen der Hochwasserbetroffenheit 

in großen Flussgebieten generiert werden können. 

Das zweite Problem betrifft die Ableitung von flächendeckenden 

Aussagen auf Basis verfügbarer Datensätze. So 

sind beispielsweise für eine Vulnerabilitätsanalyse großer 

Gebiete keine detaillierten Landnutzungsdaten verfügbar, 

welche die Anordnung einzelner Gebäude zeigen. Daher 

muss auf gröbere Datensätze, z. B. auf den europaweit verfügbaren 

CORINE-Datensatz, zurückgegriffen werden. 

Statistische Daten zu Werten (Gebäude, Infrastruktur, 

Kapitalstock etc.) liegen ebenfalls stark aggregiert vor, 

z. B. als Summenwerte pro Gemeinde, Kreis oder Bundesland. 

Für eine Hochwasserrisikoanalyse sind diese aggregierten 

Daten räumlich zu verteilen. Abb. 5.54 zeigt Verteilungen 

von Wohngebäudewerten in Baden-Württemberg, 

und zwar aggregiert auf Gemeindeebene und räum- 


Abb. 5.53: Jährlichkeiten der Rheinhochwasser vom März 1988, Dezember 1993, Januar 1995 und Mai 1999 an den 

Rheinpegeln Maxau (Oberrhein), Kaub (Mittelrhein) und Köln (Niederrhein). Es zeigt sich die große räumliche Heterogenität 

von Hochwasserereignissen im Rheingebiet. 

Return periods of flood events that occured along the river Rhine at the gauges Maxau (Upper Rhine), Kaub (Middle 

Rhine) and Cologne (Lower Rhine) in March 1988, December 1993, January 1995 and May 1999. The data reveal the 

enormous spatial heterogeneity of flood events in the Rhine catchment area. 

lich disaggregiert mit Hilfe der CORINE-Landnutzungen 

und entsprechenden Bevölkerungsdichten. Der Informationsgewinn 

durch die Disaggregierung ist deutlich zu 

sehen. Diese Abschätzungen werden gemeinsam mit einer 

interdisziplinären Arbeitsgruppe im Rahmen von CEDIM 

erarbeitet. 

Katastrophenmanagement 

Die Sektion Ingenieurhydrologie beteiligt sich an den Arbeiten 

zum Thema Katastrophenmanagement des Helmholtz- 

Foschungsnetzwerks EOS (Earth Observing System), das 

gemeinsam von den Helmholtz-Zentren AWI, DLR, GFZ 

und GKSS getragen wird. Im Rahmen von EOS koordiniert 

die Sektion Ingenieurhydrologie seit Anfang 2005 zusammen 

mit dem DLR das Projekt Vernetzungsplattform Naturkatastrophen 

(NaDiNe – Natural Disasters Networking Platform). 

Die Aufgabe der Vernetzungsplattform besteht in der 

Bündelung von Expertise aus den verschiedenen Helmholtz- 

Einrichtungen und der Bereitstellung einer gemeinsamen 

Infrastruktur und Datenbasis (Abb. 5.55). 

Zunächst fördert die Plattform NaDiNe die Vernetzung 

von Wissenschaftlern der vier EOS-Zentren im Hinblick 

auf die Naturkatastrophen Hochwasser, Erdbeben, Tsunami, 

Stürme und Sturmfluten sowie Ölunfälle. Zu einem 

späteren Zeitpunkt ist es geplant, die Plattform für eine 

thematische Erweiterung sowie die Mitarbeit von anderen 

Helmholtz-Zentren zu öffnen. Mit dem Konzept des Internetportals, 

einem Kernstück der Vernetzungsplattform, 

wird die Möglichkeit gegeben, wissenschaftliche Informationen 

einer breiten Öffentlichkeit und einem interessierten 

Fachpublikum zu präsentieren. Zu jedem der 

genannten Themen haben sich Expertenteams gebildet, 

die zur jeweiligen Naturgefahr allgemeine und im Katastrophenfall 

spezielle Informationen zu dem Ereignis einbringen. 

In den einzelnen Expertenteams sind jeweils Wissenschaftlerinnen 

und Wissenschaftler aus verschiedenen 

Zentren vertreten, die über die Plattform eine Möglichkeit 

der Kommunikation und Kooperation erhalten. Der Austausch 

von Daten wird durch eine dienstebasierte Infrastruktur 

unterstützt. Im Fall einer eintretenden Naturkatastrophe 

wird bei Erfüllung festgelegter Kriterien das 

Expertenteam aktiv, d. h. zu dem Ereignis werden spezielle 

wissenschaftliche Einschätzungen erarbeitet und bereitgestellt. 

Darüber hinaus wird im Rahmen der Vernetzungsplattform 

eine Zusammenarbeit mit den Akteuren des Katastrophenmanagements 

angestrebt. Um die Anforderungen öffentlicher 

Bedarfsträger zu ermitteln, fand im Juni 2005 der 

Workshop „Informationsbedarf in Krisenfällen“ am GFZ 


403

404 

Abb. 5.54: Auf Gemeindeebene aggregiertes (links) und mit CORINE-Landnutzungsdaten disaggregiertes Einheitswohnvermögen 

(flächennormiert) [€/m 2 ] (rechts) in Baden-Württemberg. Die Werte des Wohnvermögens wurden auf 

Basis von Normalherstellungskosten und von statistischen Daten über Anzahl und Beschaffenheit der Gebäude deutschlandweit 

abgeschätzt. 

Unit asset values of residential buildings in Baden-Wuerttemberg (standardised by the area; values are given in €/m 2 ) 

aggregated at the community level (left) and disaggregated by means of CORINE land cover data (right). The asset 

values were derived for the whole of Germany on the basis of standardised construction costs and census data about 

the number and types of buildings per community. 

statt. Der Workshop ermöglichte eine intensive Diskussion 

zwischen Vertretern der im Krisenfall agierenden Institutionen 

und Wissenschaftlern der Helmholtz-Gemeinschaft 

über den Bedarf an Informationen und die vorhandene wissenschaftliche 

Expertise. Es zeigte sich, dass ein erheblicher 

Bedarf an Beratung und Information durch wissenschaftliche 

Experten, sowohl bei den Praktikern des Katastrophenmanagements 

als auch bei der Öffentlichkeit besteht. 

Der Unterstützung des Katastrophenmanagements durch 

moderne Informations- und Kommunikationstechnologie 

widmet sich auch das Graduiertenkolleg „Modellbasierte 

Entwicklung von Technologien für selbstorganisierende 

Informationssysteme – zur Anwendung im Katastrophenmanagement“, 

das in Kooperation von Humboldt-Universität 

Berlin und GFZ beantragt und im Januar 2006 von 

der DFG genehmigt wurde. 

Literatur: 

Abb. 5.55: Screenshot des Webportals zu 

NaDiNe, der Vernetzungsplattform Naturkatastrophen 

im Rahmen des Helmholtz- 

Forschungsnetzwerks EOS. 

Screenshot of the web portal of NaDiNe, 

the Natural Disaster Networking Platform 

in the framework of the Helmholtz Research 

Network Integrated Earth Observing 

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405

Department 5 Geoengineering - GFZ - GeoForschungsZentrum ...

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