Prof. Eduard Kissling Institut für Geophysik ETH Zürich...Wenn ihr der Nacken weh tut, wirft sie die Erde von einem Horn auf das anders – und das sind die Erdbeben. ... dies sind

Aktuelles aus der Erdbebenforschung

Prof. Eduard Kissling

Institut für Geophysik

ETH Zürich

Naturwissenschaftliche Gesellschaft Winterthur, 13. Jan. 2012

NGW Winterthur 13.1.2012 2

Mexico: El Diablo, ein Gott der Inkas, machte einen riesigen Riss im Boden, den er und seine Freunde als Abkürzung benutzen.

Ostafrika: Ein riesiger Fisch trägt einen Stein auf dem Rücken. Eine Kuh steht auf dem Stein und trägt die Erde auf einem ihrer Hörner. Wenn ihr der Nacken weh tut, wirft sie die Erde von einem Horn auf das anders – und das sind die Erdbeben.


Später: Erdbeben = göttliche Strafe

1755 Lissabon

1356 Basel

Aus den politischen und wissenschaftlichen Diskussionen nach dem Erdbeben und Tsunami von Lissabon entwickelte sich die Seismologie.


Warum und wie Erdbeben entstehen

Tektonik des Alpengebietes und Bedeutung für die Seismizität in der Schweiz

Welche Art von Voraussagen sind möglich und was können wir tun?

Inhalt der Präsentation

Wie laufen Erdbeben ab? Erdbebenprozesse und ihre Folgen

Induzierte Seismizität (by nature & by humans)

Erfassung und Kommunikation von seismischer Gefährdung und Erdbebenrisiko

Grenzen des Wissens & Frühwarnsysteme für Erdbeben und ihr potentieller Nutzen

Primäre und sekundäre Folgen (Tsunami)

(Plattentektonik)

(Gebirgsbildung an alter Plattengrenze)


Wir leben auf der äusseren Schale eines flüssigen Planeten

flüssiger Mantel

<1200oC

ANALOGON: Lava Platten bewegen sich auf Magmasee

Lithosphäre

Kern (flü.+fest)

Lithosphere = äussere feste Schale aus gefrorenem Mantel – mit einer dünnen chemisch unterschiedlichen Krusten-schicht zuoberst


Lithosphäre ist in Platten zerbrochen

Lava Platten auf Magma-See

Unterschied zwischen kontinentaler und ozeanischer Lithosphäre besteht nur in der Art und Mächtigkeit der Kruste. Kontinentale Lithosphäre ist leichter als der darunterliegende flüssige Mantel wegen der wenig dichten (kont.) Kruste.

Abgekühlte ozeanische Lithosphäre (wie Lava-Platten) ist dichter als der flüssige unterliegende Mantel (wie der Magmasee)

=> ozean. Lithosphäre kann versinken!


Wie ein Ozean entsteht und grösser wird

Öffnen des Nordatlantiks mit etwa 4cm/Jahr (=>4000km/100MioJahre)

Iceland

Süd- Atlantischer Ozeanboden

A continent is broken up

A rift zone develops, as f.e. the Rhinegraben in Europe

As the two continents further rift apart,

MOR is created (Red Sea)

Mature ocean further opens f.e. Indian ocean

Mittelozeanischer Rücken (MOR) in Island

MOR


Ozeane werden geschlossen durch Subduktion der ozean. Lithosphäre

Kontinentaldrift ist eine Konsequenz des Öffnen und Schliessen von Ozeanen

Position der Kontinente während letzten 400 Mio. Jahre


Wie wir den Ozeanboden kartieren können


Wie wir den Ozeanboden kartieren können


Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale

Ozean. Lithosphäre max. 185 Mio Jahre

(kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein)

MOR Subduktion


Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale

Ozean. Lithosphäre max. 185 Mio Jahre

(kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein)

=> Recycling von ozean. Lithosphäre

MOR Subduktion


1

4

2

3

San Andreas Bruchsystem

Alpen, Anden, Subduktionszonen

Mittelozean. Rücken (MOR)

Erdbebenverteilung entlang dieser P-Grenzen (nicht gezeigt für Subduktionszone)

3 Arten von Plattengrenzen


flüssig

<1200oC

Bewegung der Lithosphärenplatten bewirkt tektonische Spannungen, welche sich in Erdbeben entladen

1975-2001 (Mag>6) und historische Beben Erdbeben entstehen primär an Plattengrenzen!

(& Verformungen der Lithosphäre)


Grosse Erdbeben entstehen regelmässig wegen der Plattentektonik

Tohoku M9 Erdbeben war 4. stärkstes seit1900

(und Millionen von mittelgrossen und

kleinen Beben dazu)

Sumatra M9.1 Erdbeben war 3. stärkstes seit 1900


Viele Beben – keine Vorhersagen !   1985 Mexico City !   1989 Loma Prieta, Kalifornien !   1994 Northridge, Kalifornien !   1995 Kobe, Japan !   1999 Izmit, Turkei !   1999 Chi Chi,Taiwan !   2001 Indien !   2003 Iran !   2004 Sumatra !   2010 Haiti !   2011 Tohoku


Erdbeben:

Tsunami:

Vulkanausbrüche:

Magnitude+Uhrzeit bis heute nicht möglich (möglich sind kennzeichnen gefährderter Gebiete und Vorsorge)

Grösse+Uhrzeit möglich, Warnzeiten von wenigen Minuten bis mehrere Stunden (bei Kurzzeitwarnungen Trefferquote 50%)

Grösstmögliche Gefahren mit Warnzeiten von Tagen möglich (Trefferquote exakte Voraussage gering, Erfolgsquote und Akzeptanz sehr hoch)

Voraussagen für

Time decades years days seconds

Early warning

Long term forecasting

Short term forecasting

Long term Hazard mapping

Erdbeben sind heute nicht möglich! deshalb

VORSORGE!


Japan’s Erdbeben-”Frühwarn-System”

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

shut down complete => funktioniert gut

Erdbeben-VORSORGE ist viel mehr!


Wozu Erfassung Seismischer Gefährdung?

Kirche in Armenien nach 1988 Erdbeben

Effekte von seismischen Wellen

=> Richtlinien für erdbebensicheres Bauen primäre und sekundäre

Effekte von Erdbeben

z.B. Verschiebung entlang Bruchfläche bei 1906 San Francisco Erdbeben

Prozesse im Quellgebiet Weitere Beispiele: Hangrutsch, Tsunami

VORSORGE:


Richtlinien für Infrastuktur und Gebäude in Erdbeben- Gebieten und in Tsunami-

Courtesy S. Hettiarachchi

VOR

SOR

GE!


Bestimmung der Erdbebengefährdung eines Gebietes Schritte zur Berechnung der Erdbebengefährdung

Abminderung der Wellenstärke mit

Distanz

Lokale Untergrund-effekte

Gefährdung: Stärke der Bodenbewegung mit 10%

Wahrscheinlichkeit in 50 Jahren

Seismische Aktivitätsrate Lokale und Plattentektonik Erdbebenkatalog

VORSORGE:


Schweizerischer Erdbebendienst

Instrumentell gemessene Seismizität in der Schweiz

Korreliert mit Tektonik

der Alpen!


Was wissen wir über die Erdbeben früherer Jahrhunderte?

Basel 1356

Sierre, 25.1.1946 M6.1

⇒  Historische Seismizität


Kartieren der Intensität (Effekt des Bebens) und Vergleich mit instrumentell bestimmter Magnitude

24


Historische Beben: Intensität-Skala I bis XII

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

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


Max. Intensität (Magnitude) der Beben in der Schweiz während vergangenen 1000 Jahren


Erdbebenkatalog der letzten 1000 Jahre für die Schweiz


Seismische Gefährdung (seismic hazard)

28

Gleicher seismic hazard hat andere Bedeutung für einsamen Ort in Wüste oder in einer Stadt und für ein EFH oder eine chemische Fabrikanlage!

Seismic hazard bei AKW (Fukushima) und im 53km-NEAT Tunnel


M9.0 Tohoku-Erdeben vom 11.März 2011

AKW Fukushima I

Häf

en &

Be

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erun

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ntre

n

Seismische Gefährdung kritischer Infrastruktur Frühwarnung Seismik & Tsunami und Abschaltung der AKW


Japan März 2011: Erdbeben – Tsunami – AKW Fukushima

AKW’s in Japan AKW’s weltweit sind seismisch stärker gefährdet durch lokale

M6 Erdbeben als durch Subduktionsbeben!

Beim AKW Fukushima begannen die Probleme mit

dem Tsunami!

Alle AKW’s in Japan sind mehrfach korrekt

“abgeschaltet” worden vor der Ankunft gefährlicher

seismischer Wellen!

M9 M6


Japan März 2011: Erdbeben – Tsunami – AKW Fukushima

AKW’s in Japan AKW’s weltweit sind seismisch stärker gefährdet durch lokale

M6 Erdbeben als durch Subduktionsbeben!

Beim AKW Fukushima begannen die Probleme mit

dem Tsunami!

Alle AKW’s in Japan sind mehrfach korrekt

“abgeschaltet” worden vor der Ankunft gefährlicher

seismischer Wellen!

M9 M6


Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I

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Nach Abschaltung produziert ein Reaktor weiter 5% der thermischen Leistung, langsam abklingend auf 1% über

nächste 14 -20 Tage.

Tsunami zerstörte den ungeschützten Diesel Tank in Fukushima I => Reaktoren hatten noch Diesel für Kühlung von nur ½ Tag


Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I

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Überhitzung des Reaktors führt zur Separation von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.

Wasserstoff wird aus Reaktor ins Containment abgelassen.

Explosion von Wasserstoff zerstört Betoncontainment.

Weitere Überhitzung führt zur Kernschmelze im Reaktor.

Feuer und Lecke in Reaktormantel verteilen Radioaktvität in die Umwelt.

Tsunami zerstörte den ungeschützten Diesel Tank in Fukushima I => Reaktoren hatten noch Diesel für Kühlung von nur ½ Tag


AKW Fukushima I:

- Sehr gute Vorsorge (Baunormen) für Subduktionsbeben

- Automatische Abschaltung bei nahen Beben M6-7 (noch?) nicht möglich – dies sind auch die gefährlichsten Beben bei uns.

- Tsunami-Vorsorge der AKW in Japan z.T. gut, teilweise unverant- wortlich schlecht (Fukushima).

- Schwierigkeit der Bewältigung eines Störfalls stark unterschätzt.

- Kühlungsbedarf und Wahrscheinlichkeit sowie Folgen eines Ausfalls der Energieversorgung wurden (weltweit) unterschätzt.

edelweiss air Zürich-Flughafen 1.6.2011 E. Kissling

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


Seismisches Risiko, weitgehend human-made! Seismische Gefährdung

Lokaler Bauuntergrund

Wert und Risiken im Gebiet

Verwundbarkeit

Seismische Gefährdung ist durch Erde/Plattentektonik gegeben.

seismic risk is dominated by economic value and is concentrated in urban areas

Seismisches Risiko

Unter Ausschluss von AKW:


M9-Erdbeben und Nachbeben:

- beispielhaft gute Vorsorge und Warnungen der Bevölkerung in Japan - Wir in der Schweiz (wie an fast allen anderen Orten) haben grossen Nachholbedarf. Auch Beben von Magn. 6-7 könnten riesige Schäden (vgl. Christchurch) bewirken, wenn wir nicht gut darauf vorbereitet sind.

- Japan ist gut vorbereitet, prima Warnung und mehrheitlich gute Reaktion der Bevölkerung. Bauliche Massnahmen (teuer) könn-ten noch stark verbessert werden.

Tsunami:

- Wir in der Schweiz haben keine grossen Tsunami’s, allenfalls in Seen. Allerdings halten wir uns oft in Regionen mit grosser Tsunami-Gefährdung auf.

(Unter Ausschluss von Atomkraftwerken) VORSORGE:


Neuer Alpen Tunnel NEAT 53km

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2. Beispiel Kritische Infrastruktur


Herausforderungen beim Bau des Gotthard Basistunnels

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Hohe Temperaturen, Wasser und Konsequenzen für Grundwassersystem (=> Staudämme), Geologie, Bergschläge und Mikrobeben & extreme Tunnel-Deformationen



Viele und sehr starke Bergschläge in der MFS Faido

  Warum diese starken Bergschläge?   Gibt Tunnelabschnitte grösserer Gefahr?   Können wir Bergschläge voraussagen?

  Können wir Bergschläge abwenden?   Techn. Vorsorge während Konstruktion?   Langzeitgefahr für Tunnel nach

Fertigstellung?

Effekt eines starken Bergschlag vom Boden her



Erdbebenverteilung 1975 - 2001

? SEHR starke Bergschläge Mikrobeben?

1975 - 2001

Fusio

2002 - 2005

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

Fusio

Keine seismische Aktivität in Region vor Beginn der Arbeiten in der MFS Faido im 2002



seismicity 2005.10 to 2007.04

Using 3D local velocity model extablished with registring explosion

GAP < 160 Grad

Hauptachse der Fehlerellipse < 1 km

Micro-Seismizität Faido 2005-2007

Earlyer hypocenters poorly located, most probably in same location as later quakes


cluster 11

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

subcluster 0

subcluster 1

subcluster 2

subcluster 3

P S

=> Hypozentren < 250m Distanz vom Tunnel

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


Verzögert nach Bauende klingt die Seismizität ab

Excavation work stops October 2006

2006

2006 2007

2007

110 Mikroerdbeben total


Zusammenfassung der Beobachtungen

Mikrobeben finden in Schwärmen an einem sub-vertikalen Bruchsystem statt, dieses ist sub-parallel zu einem im Tunnel, jedoch ca. 200m im NE.

Wir wissen:


Ein Versuch den beobachteten Prozess zu verstehen

45

1 2 3 4


conclusions

46

- Seismic activity may be triggered by relatively “small” human-made or natural effects.

- Significant tectonic forces are present at shallow crustal depth also in region of very low seismicity

- Rock rheology/mechanics at 2km depth is surprisingly different (known to mining industry before but new for transportation tunnels)

- Analysis of rock bursts and micro-eqs helped to establish precautionary procedures to prevent accidents during construction

later train operation in tunnel - Understanding of tectonic process allows mitigation measures for



Das Erdbeben Risiko

Hohes Risiko: Ein grosses Beben, weicher Untergrund, viele Menschen, in schlecht gebauten Häusern.


Grosse Erdbeben auch in der Schweiz? Ja!

  Zehntausende Gebäude müssten abgerissen werden, oder wären sehr stark beschädigt.

  Allein die direkten Kosten der Schäden an Wohnhäusern würde 30-60 Milliarden Franken betragen.


Der Untergrund in der Schweiz

Harte Böden

Weiche Böden


Seismisches Risiko wird primär von uns bestimmt!

(Unter Ausschluss von Atomkraftwerken)


Seismisches Risiko wird primär von uns bestimmt!

(Unter Ausschluss von Atomkraftwerken)

SIA261

Vorsorge: Einführen verbesserter Bauvorschriften

Training der Reaktion auf Erdbeben

"   Bessere Wissenschaft würde natürlich helfen. Allerdings ist es überhaupt nicht klar, inwiefern der Erdbebenprozess besser vorhersagbar ist.

"   Bessere Kommunikation: "   Experten müssen die Grenzen ihres Wissens klar darstellen

und sich nicht drängen lassen mehr zu sagen. "   Experten müssen konsensorientiert ‚common ground‘ finden,

und das unisono kommunizieren.


Wir müssen lernen besser umzugehen mit den Prozessen der

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

Alpen) ausdrücken und die auf unserem Planeten Leben

ermöglichen

aber auch zu

Erdbeben & deren Folgeeffekten führen.

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Erdbeben-VORSORGE, weil wir die seismische Gefährdung zum Risiko machen!


Expected future large earthquakes

53

Earthquake prediction is not yet possible, but the attention is concentrated on key hotspots, identified as seismic gaps (Costarica, Nankai, Peru, California, Aleutians, Cascadia) or triggered by recent large earthquakes (SE Sumatra, Burma and Assam after the 2004 Andaman Sea event; Tokai after the 2011 Tohoku event)

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Prof. Eduard Kissling Institut für Geophysik ETH Zürich...Wenn ihr der Nacken weh tut, wirft sie die Erde von einem Horn auf das anders – und das sind die Erdbeben. ... dies sind