Post on 12-Oct-2020
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.
NGW Winterthur 13.1.2012 3
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.
NGW Winterthur 13.1.2012 4
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)
NGW Winterthur 13.1.2012 5
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
NGW Winterthur 13.1.2012 6
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!
NGW Winterthur 13.1.2012 7
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
NGW Winterthur 13.1.2012 8
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
NGW Winterthur 13.1.2012 9
Wie wir den Ozeanboden kartieren können
NGW Winterthur 13.1.2012 10
Wie wir den Ozeanboden kartieren können
NGW Winterthur 13.1.2012 11
Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale
Ozean. Lithosphäre max. 185 Mio Jahre
(kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein)
MOR Subduktion
NGW Winterthur 13.1.2012 12
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
NGW Winterthur 13.1.2012 13
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
NGW Winterthur 13.1.2012 14
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)
NGW Winterthur 13.1.2012 15
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
NGW Winterthur 13.1.2012 16
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
NGW Winterthur 13.1.2012 17
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!
NGW Winterthur 13.1.2012 18
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!
NGW Winterthur 13.1.2012 19
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:
NGW Winterthur 13.1.2012 20
Richtlinien für Infrastuktur und Gebäude in Erdbeben- Gebieten und in Tsunami-
Courtesy S. Hettiarachchi
VOR
SOR
GE!
NGW Winterthur 13.1.2012 21
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:
NGW Winterthur 13.1.2012 22
Schweizerischer Erdbebendienst
Instrumentell gemessene Seismizität in der Schweiz
Korreliert mit Tektonik
der Alpen!
NGW Winterthur 13.1.2012 23
Was wissen wir über die Erdbeben früherer Jahrhunderte?
Basel 1356
Sierre, 25.1.1946 M6.1
⇒ Historische Seismizität
NGW Winterthur 13.1.2012 24
Kartieren der Intensität (Effekt des Bebens) und Vergleich mit instrumentell bestimmter Magnitude
24
NGW Winterthur 13.1.2012 25
Historische Beben: Intensität-Skala I bis XII
1356, M6.9, Basel 1855, M6.4, Visp
(Kartierung des Schadensbildes => Ort und Stärke des Bebens)
NGW Winterthur 13.1.2012 26
Max. Intensität (Magnitude) der Beben in der Schweiz während vergangenen 1000 Jahren
NGW Winterthur 13.1.2012 27
Erdbebenkatalog der letzten 1000 Jahre für die Schweiz
NGW Winterthur 13.1.2012 28
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
NGW Winterthur 13.1.2012 29
M9.0 Tohoku-Erdeben vom 11.März 2011
AKW Fukushima I
Häf
en &
Be
völk
erun
gsze
ntre
n
Seismische Gefährdung kritischer Infrastruktur Frühwarnung Seismik & Tsunami und Abschaltung der AKW
NGW Winterthur 13.1.2012 30
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
NGW Winterthur 13.1.2012 31
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
NGW Winterthur 13.1.2012 32
Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I
32
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
NGW Winterthur 13.1.2012 33
Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I
33
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
NGW Winterthur 13.1.2012 34
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.
NGW Winterthur 13.1.2012 35
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:
NGW Winterthur 13.1.2012 36
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:
NGW Winterthur 13.1.2012 37
Neuer Alpen Tunnel NEAT 53km
37
2. Beispiel Kritische Infrastruktur
NGW Winterthur 13.1.2012 38
Herausforderungen beim Bau des Gotthard Basistunnels
38
Hohe Temperaturen, Wasser und Konsequenzen für Grundwassersystem (=> Staudämme), Geologie, Bergschläge und Mikrobeben & extreme Tunnel-Deformationen
2. Beispiel Kritische Infrastruktur
NGW Winterthur 13.1.2012 39
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
2. Beispiel Kritische Infrastruktur
NGW Winterthur 13.1.2012 40
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
2. Beispiel Kritische Infrastruktur
NGW Winterthur 13.1.2012 41
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
NGW Winterthur 13.1.2012 42
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!
NGW Winterthur 13.1.2012 43
Verzögert nach Bauende klingt die Seismizität ab
Excavation work stops October 2006
2006
2006 2007
2007
110 Mikroerdbeben total
NGW Winterthur 13.1.2012 44
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:
NGW Winterthur 13.1.2012 45
Ein Versuch den beobachteten Prozess zu verstehen
45
1 2 3 4
NGW Winterthur 13.1.2012 46
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
2. Beispiel Kritische Infrastruktur
NGW Winterthur 13.1.2012 47
Das Erdbeben Risiko
Hohes Risiko: Ein grosses Beben, weicher Untergrund, viele Menschen, in schlecht gebauten Häusern.
NGW Winterthur 13.1.2012 48
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.
NGW Winterthur 13.1.2012 49
Der Untergrund in der Schweiz
Harte Böden
Weiche Böden
NGW Winterthur 13.1.2012 50
Seismisches Risiko wird primär von uns bestimmt!
(Unter Ausschluss von Atomkraftwerken)
NGW Winterthur 13.1.2012 51
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.
NGW Winterthur 13.1.2012 52
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!
NGW Winterthur 13.1.2012 53
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)