Gravimetrische Untersuchungen

des Untergrundes am

Hochstaufen

Teilauswertung des geophysikalischen Feldpraktikums 2007 der LMU München durch

Hannes Bernhardt, Christian Schwindl & Nina Bauschke

Ort der Messungen: Hochstaufen, Berchtesgadener Land bei Salzburg

Praktikumsleiter: Dr. Joachim Wassermann, Dr. Valerian Bachtadse

Praktikumszeitraum: 18.-26. Juni 2007

Abgabetermin: 5. September 2007

Inhaltsübersicht

1. Einleitung 3

1.1. Grund der gravimetrischen Messungen 3

1.2. Untauglichkeit anderer Messverfahren 3

1.3. Ziel der Messreihen 4

2. Datenerhebung 5

2.1. Gravimetrische Messungen 5

2.2. Korrekturen 6

2.2.1. Tidenkorrektur 6

2.2.2. Gerätedriftkorrektur 7

2.2.3. Freiluftkorrektur 9

2.2.4. Bouguerkorrektur 9

2.3. Nivellierung 10

2.3.1. Ausrüstung und Vorgehen 10

3. Vergleich mit Messungen des Vorjahres 13

4. Ausblick

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1. Einleitung

1.1. Grund der gravimetrischen Messungen

Durch mikrogravimetrische Messungen werden kleinste Änderungen im

Schwerefeld der Erde festgestellt. Nach Korrekturen der Messwerte ist es

möglich durch diese auf Veränderungen im Untergrund zu schließen,

genauer gesagt Massenveränderungen. Eine Erhöhung des Schwerefeldes

in Respektive zu den Vorjahreswerten kann so Anzeiger für eine

Massenvergrößerung sein, wie sie im Bereich des Hochstaufen im

Berchtesgadener Land bei Salzburg vermutlich durch den

Regenwassergehalt im Untergrund hervorgerufen wird.

Da am Hochstaufen in einer Störungszone Kalkstein über Flysch

geschoben wird, vermutet man, dass das ins Gestein eindringende

Wasser den Porendruck erhöht und somit die Normalspannung der

aufeinander liegenden Gesteinsplatten verringert, was wiederum

Abrutschungen begünstigt. Auf diese Weise können Schwarmbeben

entstehen, ein in dieser Region typisches Phänomen, welches jedoch

hauptsächlich nach starken Regenfällen auftritt. Aus diesem Grund ist es

möglich diese Beben mit dem Regenwassereintrag zu assoziieren, was

wiederum die Motivation für diese mikrogravimetrischen

Schweremessungen darstellt. Gravimetrische Messungen zeichnen sich

hierbei insbesondere durch ihre unbeschränkte Eindringtiefe und

Messgenauigkeit aus und ermöglichen somit selbst das Aufspüren

geringster Anomalien in großen Tiefen.

1.2. Untauglichkeit anderer Messverfahren

Aufgrund verschiedener Gegebenheiten, eignet sich die Gravimetrie mit

Abstand am besten für die genannte Zielsetzung:

3

• Magnetik: Da magnetische Messungen lediglich die magnetischen

Eigenschaften von Untergrundmaterial aufzeigen, eignen sie sich in

diesem Fall kaum, da nicht die Gesteinsart variiert, sondern nur ihr

Wassergehalt. Der magnetische Unterschied, der durch das Wasser

verursacht wird, wäre zu gering um ihn im Gegensatz zu

Störfaktoren, wie Veränderungen der Gesteinsmatrix, zu messen.

• Geoelektrik: Obwohl die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit

Auskunft über den Wassergehalt des Untergrundes liefern könnte,

wäre ein Einbringen der notwendigen Elektroden in den Felsboden

praktisch unmöglich. Des Weiteren bietet die Geoelektrik eine für

diesen Fall zu geringe Eindringtiefe.

• Seismik: Da sich das Wasser vermutlich in Verkarstungen und nicht

in einer wasserleitenden Schicht ansammelt, würde die Seismik ein

zu geringes Auflösungsvermögen bieten. Darüber hinaus wäre der

erwartete Geschwindigkeitsunterschied von seismischen Wellen

zwischen den Sättigungsstufen zu gering um messbar zu sein. Auch

die Eindringtiefe wäre nicht zufrieden stellend, da man, aufgrund zu

hoher Risiken bei einer Sprengung am Berghang, auf

Hammerschlagseismik beschränkt wäre.

1.3. Ziel der Messreihen

Obwohl dies erst die zweite Messung dieser Art im genannten Gebiet

darstellt, ist es das Ziel, jährliche Messungen and fixen Messpunkten

durchzuführen um so veränderliche Schwereanomalien auszumachen. In

regenreichen Jahren sollte man so in der Lage sein positive

Schwereänderungen nachzuweisen, obwohl man an exakt denselben

Punkten in regenärmeren Jahren diese nicht fand. Auch die ungefähre

Lage und Menge des Wasserspeichers können mittels gravimetrischer

Messungen bestimmt werden.

Der größte Vorteil der jährlichen Messungen an identischen Punkten ist

die wegfallende Notwendigkeit von Lagekorrekturen, d.h. der Freiluft-,

4

Bouguer- und Topographiekorrektur, beim Vergleich der Messdaten.

Lediglich zeitabhängige Korrekturen bleiben weiterhin notwendig, sprich

die Tiden- und die Gerätedriftkorrektur. Dieser Vorteil ermöglicht sehr viel

genauere Messdaten, da für die Bouguerkorrektur äußerst präzise Daten

zur Dichte des Untergrundes nötig wären. Auch eine topographische

Korrektur würde ein enorm genaues topographisches Modell der

Umgebung voraussetzen.

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2. Datenerhebung

2.1. Gravimetrische Messungen

Zur Datenerhebung wurden zwei Lacoste-Romberg-Gravimeter vom Typ

G-250 der Firma Leitz verwendet, mit denen Messwerte mit einer

Genauigkeit von 0,01 mGal ermittelt werden konnten. Eine schematische

Darstellung des Lacoste-Romberg-Gravimeters ist in Abbildung 1 zu

sehen. Für eine präzise Messung des Schwerefeldes ist eine korrekte,

senkrechte Aufstellung des Gerätes notwendig, weshalb ein, mittels drei

Schraubenfüßen, genau justierbarer Telleruntersatz verwendend wurde,

sowie eine im Gerät integrierte Libelle zur Lageorientierung. Im Inneren

des Gerätes befindet sich, ähnlich eines Seismometers, eine aufgehängte

Masse, welche abhängig vom vorherrschenden Schwerefeld eine gewisse

Zugkraft auf eine sehr empfindliche Feder ausübt. Durch drehen einer

Gleichstellungsschraube kann man diese Zugkraft ausgleichen, und somit

auf den Betrag des Schwerefeldes schließen. Nachdem der eingestellte

Wert abgelesen wurde, ist es wichtig die Uhrzeit für spätere Korrekturen

festzuhalten. Hierbei ist es wichtig zu beachten, dass die abgelesenen

Werte noch nicht die Gravimetrischen Werte darstellen sondern lediglich

als Einheiten zu verstehen sind. Diese abgelesenen Werte können anhand

einer Kalibrierungstabelle in die gesuchten Messwerte umgerechnet

werden. Nach dem die Messung beendet ist muss man darauf achten, das

Gravimeter wieder zu arretieren um einer Beschädigung der Feder

vorzubeugen.

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Abbildung 1: Aufschnitt eines Lacoste-Romberg-Gravimeters

2.2. Korrekturen

2.2.1. Tidenkorrektur

Zum Zwecke des Vergleiches von Daten über mehrere Jahre hinweg, ist

die Tidenkorrektur eine der wichtigsten, da es sich hierbei um eine zeitlich

variable Größe handelt. Sie ist notwendig, da hauptsächlich die

Anziehungskräfte des Erdmondes, aber auch die der Sonne, messbare

und periodisch wachsende und wieder schwindende Abweichungen im

messbaren Schwerefeld produzieren, wobei die Anziehung des Mondes die

der Sonne überwiegt. Mittels astronomischer Berechnungen können diese

Abweichungen jedoch sehr genau ermittelt werden, weshalb es möglich

ist, tidenbereinigte Messwerte zu erhalten insofern der Messzeitpunkt auf

die Minute genau bekannt ist. Befindet sich der Mond beispielsweise von

der Messstation aus gesehen auf der Rückseite der Erde, so resultiert dies

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in einer positiven Gravitationsanomalie. Im Laufe eines Erdtages

verändert sich jedoch diese relative Position und der Mond übt eine

Anziehungskraft aus, die dem Erdschwerefeld entgegenwirkt. Aus diesem

Grund wurde eine, die Dauer der Messungen überdeckende, Tabelle von

Tidendaten mit einminütiger Aktualisierung zur Bereinigung der Daten

verwendet, wobei lediglich die Tidenwerte zu den Messwerten addiert

wurden:

TK = gMessung + gTide

Der graphische Verlauf der Tiden der festen Erde ist in Abbildung 2

dargestellt

Abbildung 2: Grafischer Verlauf der Tiden. Die sinusförmige Funktion gibt die

Mondtiden wieder, wobei die Eindellungen an ihren Spitzen die Sonnentiden

darstellen.

2.2.2. Gerätedriftkorrektur

Die Drift der Messgeräte stellt eine weitere zeitlich veränderliche Größe

dar, weshalb auch sie für den sukzessiven Vergleich von alljährlichen

Messungen benötigt wird. Sie stellt eine Verfälschung der Messwerte dar,

welche aufgrund der nicht völlig elastischen Feder des Gravimeters

auftritt und sich bei älteren Geräten in geringerem Umfang bemerkbar

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macht. Obwohl es sich hierbei nicht um eine Größe handelt, die sich

zeitlich linear verändert, kann man dies bei einer Driftkorrektur zur

Vereinfachung dennoch annehmen.

Zur Bestimmung des Gerätedriftes wurden im Gelände Rückmessungen

einiger Punkte durchgeführt. Die Abweichungen zwischen diesen

Messungen in Relation zu ihrem zeitlichen Abstand voneinander geben

Aufschluss über das Ausmaß der Drift.

Die Driftkorrektur für die Meßreihe wurde in Tabelle 1 berechnet.

Insgesamt wurden bei dieser Messreihe drei Rückmessungen mit

Gravimeter I und vier mit Gravimeter II durchgeführt:

Messpunkt Zeitabstand Drift Drift pro Minute

IG3 54min 0,6530158 mGal 0,012093

IIG3 54min 1,64990999 mGal 0,030554

IG4 102min -0,20861725 mGal -0,002045

IIG6 110min -1,97091788 mGal -0,017917

IG8 78min -45,1383861 mGal -0,578697

IIG8 65min 0,07181079 mGal 0,001104

IIG10 121min -0,08264455 mGal -0,000683

IG12 27min -0,15710301 mGal -0,005819

Tabelle 1

Der ungewöhnlich hohe Wert von über 45 mGal bei der Rückmessung von

Gravimeter I des Punktes G8 rührt vermutlich von einem Mess- oder

Ablesefehler her. Jedoch ist auch unter Ausschluss dieses Wertes keine

Tendenz der Drift erkennbar. Es scheint als würden die Werte im

Größenordnungsbereich von 1/100stel bis 1/1000stel mGal um den

Nullpunkt herumschwanken. Dies könnte ein Resultat des Alters der

Messgeräte sein, was, wie bereits erwähnt, einen verminderten Effekt auf

die Drift haben kann. Aus diesem Grund kann eine Driftkorrektur dieser

Messreihe vernachlässigt werden.

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2.2.3. Freiluftkorrektur

Die Freiluftkorrektur stellt einen Ausgleich der topographischen Höhen ∆h

der Messpunkte dar, da diese Höhen eine Abstandsvergrößerung zum

Erdmittelpunkt, dem Zentrum der Gravitation, darstellen. Auf einer

isostatisch ausgeglichenen Erhebung ist aus diesem Grund die

Anziehungskraft geringfügig geringer. Da die Messreihe über den Gipfel

des Hochstaufen führte, wäre eine solche Korrektur sicherlich notwendig

um die Messwerte auf einem einheitlichen Bezugsniveau zu betrachten.

Dazu würde man sich dieser Formel bedienen:

FlK = 0,3086 ∆h

Aufgrund der Tatsache, jährlich wiederholte Messungen vergleichen zu

wollen, ist die Freiluftkorrektur jedoch nicht nötig, da es sich um eine

Orts-konstante Größe handelt.

2.2.4. Bouguerkorrektur

Wie die Freiluftkorrektur, stellt auch die Bouguerkorrektur eine Orts-

konstante Größe dar, womit sie beim Datenvergleich der alljährlichen

Messungen hinfällig wird.

Die Bouguerkorrektur zieht die Masse unterhalb des Messpunktes in

Betracht, welche bei einer gewissen topographischen Höhe vorhanden

wäre. Bei einem perfekt isostatisch ausgeglichenen Körper wäre die

dadurch verursachte Schwerezunahme gleich Null. Generell berechnet

sich die Bouguerkorrektur wie folgt:

BgK = 2π G ρ ∆h

G: Gravitationskonstante

ρ: Dichte des unterliegenden Gesteins

∆h: Höhenunterschied über Bezugsniveau des Geoiden

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2.3 Nivellierung

2.3.1 Ausrüstung und Vorgehen

Unter dem Begriff nivellieren versteht man das messen von

Höhenunterschieden und Distanzen zwischen zwei Punkten. Die während

der gravimetrischen Messungen, die am Hochstaufen durchgeführt

wurden, gewählte Nivellierungsmethode war das trigonometrische

Nivellement. Dieses wird mit der Hilfe eines Theodoliten oder eines

Tachymeter als Peilgerät das auf einem Dreibein steht, und zwei

prismatisch geschliffenen Rückstrahlspiegeln, die auf 180 cm hohen

Stäben befestig sind, durchgeführt. Während der Messung müssen die

Spiegel absolut ruhig gehalten werden. In unserem Fall wurde ein

Tachymeter verwendet mit dem, im Gegensatz zum Theodoliten nicht nur

Horizontalwinkel und Vertikalwinkel sondern auch Schrägstrecken zum

Zielpunkt ermittelt werden können. Bei dem Tachymeter handelte es sich

um ein elektronisches Tachymeter das nach der manuellen Zielerfassung

selbsttätig die Strecke einmisst.

Das Tachymeter muss horizontal stehen, damit korrekte Ergebnisse

erzielt werden können. Dies kann man mit Hilfe einer Libelle auf dem

Dreibein und zweier elektronischer Libellen am Gerät selber erreichen.

Vom Tachymeter wird ein Laserstrahl ausgesendet der vom

Rückstrahlspiegel reflektiert wird, das Gerät misst die Laufzeit und

Phasenverschiebung des ankommenden Laserstrahls und bestimmt

daraus die Distanz zwischen dem Spiegel und dem Gerät sowie den

Höhenunterschied.

Um die Entfernung und die absoluten Höhenunterschiede zwischen den

einzelnen Gravimetermesspunkten zu bestimmen, wird einer der beiden

Spiegel auf dem Ersten Gravimetermesspunkt platziert, der Zweite

Spiegel wird für die Vormessung möglichst direkt auf dem Zweiten

Gravimetermesspunkt platziert und das Tachymeter möglichst auf halbem

Weg zwischen den beiden Spiegeln aufgestellt. Wenn es einer der Beiden

Spiegel von dieser Position aus nicht sichtbar ist, dann muss der Spiegel

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für die Vormessung an einen Zwischenpunkt gestellt werden. Abbildung

3 zeigt schematisch das Prinzip der Nivellierung. Die Vormessungen sind

mit V bezeichnet, die Rückmessungen mit R. Vom Tachymeter aus

werden immer zuerst eine Vor- und dann eine Rückmessung bei

unveränderter Tachymeter Position durchgeführt, damit sich die Höhe der

Spiegel über der Geländeoberfläche herauskürzt.

Abbildung 3: Die Punkte A und B stellen Gravimetermesspunkte dar, die Punkte

L1 und L2 stellen Zwischenpunkte dar.

Für eine genaue Bestimmung der absoluten Höhenpositionen der

einzelnen Gravimetermesspunkte, muss die Erste Messung an einem

Punkt stattfinden dessen absolute Höhe über Normal Null bekannt ist. Die

absolute Höhe der Gravimeterpunkte ist für die Freiluft- und die

Bouguerkorrektur wichtig, die in Tabelle 2 gezeigt werden. In der

Bouguerkorrektur wurde eine durchschnittliche Dichte von Kalkstein von

2,6*10^3 kg/m^3 angenommen. Die Absoluten Höhenwerte können aus

den letztjährigen Berechnungen entnommen werden da die Messungen

um repräsentativ zu sein wieder an denselben Messpunkten stattgefunden

haben.

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absolute Höhe in m Höhendifferenz in m FLK (mgal) BGK (m/s^2) Latitudenfakor Gravimetermesspunkt1771 546,5306 2,15 E-3 9,809 11758 -13 542,5188 2,136 E-3 9,809 2

1761,39 3,39 543,5649 2,14 E-3 9,809 31720,39 -41 530,9124 2,09 E-3 9,809 41629,56 -90,83 502,8822 1,98 E-3 9,809 51596,52 -33,04 492,6861 1,94 E-3 9,809 61555,53 -40,99 480,0366 1,89 E-3 9,809 71492,78 -62,75 460,6719 1,81 E-3 9,809 8

1462 -30,78 451,1732 1,78 E-3 9,809 91418,55 -43,45 437,7645 1,72 E-3 9,809 10

1409,6 -8,95 435,0026 1,71 E-3 9,809 111382,33 -27,27 426,457 1,68 E-3 9,809 121373,39 -8,94 423,8282 1,66 E-3 9,809 13

Tabelle 2 enthält Werte für den Freiluftkorrekturfaktor, Bouguerkorrekturfaktor

und Latitudenkorrekturfaktor. Die Einheit mGal lässt sich mit folgender Formel

in SI konvertieren: mGal= m/s^2*10^5

Der Freiluftgradient (Flg) zwischen den einzelnen Messpunkten, wie er

sich aus den diesjährigen Daten folgt kann mit der Folgenden Formel

bestimmt werden:

Flg = ∆g/∆h

Die daraus folgenden Werte sind in Tabelle 3 dargestellt. Der Flg sagt

aus um wie viel mGal die Schwereanomalie abnimmt pro Höhenmeter.

Gravimetermesspunkt ∆h [m] ∆g (FLK) [mgal] Flg [mgal/m]

1

2 -13,00 4,0118 -0,3086

3 +3,39 -1,0461 -0,3086

4 -41,00 12,6525 -0,3086

13

5 -90,83 28,0302 -0,3086

6 -33,04 10,1961 -0,3086

7 -40,99 12,6495 -0,3086

8 -62,75 19,3647 -0,3086

9 -30,78 9,4987 -0,3086

10 -43,45 13,4087 -0,3086

11 -8,95 2,7619 -0,3086

12 -27,27 8,5456 -0,31337

13 -8,94 2,6288 -0,29405

Tabelle 3 enthält die Höhendifferenz ∆h zwischen den Messpunkten, die

Freiluftkorrigierte Gravitationsdifferenz ∆g zwischen den Messpunkten und den

daraus resultierenden Freiluftgradienten (Flg).

Der Freiluftgradient entspricht, relativ genau dem theoretisch erwarteten

Wert.

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3. Vergleich mit den Messungen des Vorjahres

Um einen exakten Vergleich zwischen den Vorjahres Daten und den

diesjährigen Daten anstellen zu können ist es zwar nicht notwendig alle

Korrekturen durchgeführt durchzuführen aber die Korrigierten Daten

geben einen besseren Hinweis auf die vorhandene Gravitationsanomalie.

Zur Durchführung der Korrekturen werden die Werte aus Tabelle 2,

Tabelle 5, die im Anhang zu finden ist, und zusätzlich die

Latitudenkorrektur entliehen aus den letztjährigen Ergebnissen, die sich

seit 2006 nicht verändert hat, verwendet. Das Ergebnis der Korrekturen

ist in Tabelle 4 zu sehen.

Gravimeter und

Gravimetermesspunkt

Tidenkorr. + FLK – BC – LAT

(mGal): Werte von 2007

Tidenkorr. + FLK – BC – LAT

(mGal): Werte von 2006

I G1 4399,068 4436,32081

II G1 4310,1182

I G2 4399,3813 4439,38636

II G2 4313,0409

I G3 4396,3576 4436,82224

II G3 4310,4879

I G3 Rück 4397,0106 4436,8607

II G3 Rück 4312,1381

I G6 4435,3866 4461,73662

II G6 4352,3852

II G6 Rück 4350,4143 4461,65474

I G7 4445,6403 4465,13022

II G7 4370,8628 4465,21649

I G8 4461,6087 4469,98868

II G8 4377,3412

I G8 Rück 4416,4703

II G8 Rück 4377,1136

I G11 4478,651 4472,61312

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II G11 4377,1136

I G13 4382,1834 4473,56614

II G13 4444,1027 4473,4376

Tabelle 4 enthält die korrigierten Daten und vergleicht die Korrespondierenden

Daten von 2007 mit 2006.

Die Tabellen 4 deuten beide darauf hin, dass die Schwereanomalie in

untersuchten Bereich abgenommen hat. Die Schlussfolgerung die man

aufgrund der gravimetrischen Untersuchungen ziehen kann ist, dass

Masse im Untergrund fehlt die im letzten Jahr noch vorhanden war. Die

fehlende Masse im Untergrund ist wahrscheinlich Wasser, dass aufgrund

des trockenen Herbstes letzten Jahres, des milden Winters mit den nur

geringen Schneefällen und des trockenen und warmen Frühjahrs dieses

Jahr dieses Jahr in den Karsthöhlen und Klüften fehlt. Bemerkenswert ist

es, dass die verringerte Schwereanomalie, die Mitte Juni gemessen

wurde, zusammen mit dem fehlen von Schwarmbeben am Hochstaufen

auftritt. Das Vorhandensein von Verkarstung im Hochstaufen ist

keineswegs überraschend, da Kalkstein zur Verkarstung durch Wasser

neigt. Die weiten Karsthöhlen stellen einen Wasserspeicher da in dem

große Mengen Wassers hindurchfließen und auch gespeichert werden

können. Durch das fließende Wasser wird weiterer Kalk gelöst und auf

diese weise die Karsthöhlen langsam erweitert. Je größer der Querschnitt

ist durch den das Wasser fließt umso größer wird die Fließgeschwindigkeit

des Wassers und somit sinkt die Verweildauer des Wassers im Gestein.

Das alles zusammen deutet darauf hin, dass ein einzelnes

Starkregenereignis, wie es in diesem Jahr bis Mitte Juni statt gefunden

hat, nicht in der Lage ist den gesamten Grundwasserleiter im Hochstaufen

aufzufüllen, was wiederum zu Schwarmbebenereignissen führen würde.

Ein Vergleich zwischen den tidenkorrigierten Gravimetriedaten 2006 und

2007 in Tabellenform ist im Excel-Anhang zu finden. Die Messungen

wurden jeweils an denselben Orten durchgeführt um vergleichbare

Ergebnisse zu erhalten.

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In Abbildung 4 sind die prozentualen Veränderungen zwischen den Messreihen

des Jahres 2007 zu den Messungen des Vorjahres an den einzelnen

Messpunkten aufgetragen.

Abbildung 5 zeigt die diesjährigen Messungen als prozentualen Anteil wobei die

Gipfelmessung IG1 als Referenzwert dient.

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4. Ausblick

Um endgültige Aussagen darüber treffen zu können ob wirklich ein

Wasserspeicher im Untergrund es Hochstaufen vorhanden ist, wie groß

das Volumen ist das er fasst und ob es tatsächlich einen Zusammenhang

zwischen der Füllmenge des Wasserspeichers und dem Auftreten von

Schwarmbeben gibt, müssen weitere Untersuchungen mit Vergleichen zu

den letzten Jahren stattfinden.

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