Jährlich sterben zehntausende Menschen als Folge von Erdbeben!

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1 Jährlich sterben zehntausende Menschen als Folge von Erdbeben! 2/18+ 1

2 Wahrscheinlich könnten Erdebebenprognosen die Zahl der Opfer signifikant verringern. Systematische Untersuchungen begannen etwa um 1950 in der Sowjetunion, ab etwa 1965 in Japan und China und ab 1977 auch in den USA. Die ersten Resultate waren sehr erfolgversprechend, jedoch etwa 20 Jahre danach verschwand der urspüngliche Optimismus der Forscher immer mehr. In den 1970 Jahren wurden besonders in China große Anstrengungen unternommen, Erdbeben zu prognostizieren, zum Teil mit überraschenden Erfolgen. So konnte z.b. das Erdbeben von Haicheng (4. Feb. 1975, M=7.3) vorhergesagt werden, jedoch versagten die Wissenschafter bei anderen Beben, etwa dem von Tangshan (28.Juli 1976, M=7.8, Tote) und es ist auch nicht bekannt, wieviele Fehlalarme produziert wurden. Tatsächlich wurde zur Zeit der Kulturrevolution politische Druck auf die Wissenschafter ausgeübt, um die Überlegenheit der chinesischen Wissenschaft (und des chinesischen Systems) über die westliche zu demonstrieren. Später gabe es dann keine Veröffentlichungen von Prognosen mehr. Heute nimmt man an, dass eine Erdbebenprognose wahrscheinlich möglich ist, jedoch nicht in rein deterministischen Weise, sondern eher nach statistischen Prinzipien. 3/18+ Was wird für eine sinnvolle Erdbebenprognose benötigt? Zeitpunkt mit einer kleinen Unsicherheit; Ort mit einer kleinen Unsicherheit; Magnitude mit einer kleinen Unsicherheit; Informationszuwachs gegenüber rein statistischen Überlegungen. (Beispiel: Wenn in einem Gebiet im Mittel jede Woche ein Erdbeben auftritt, ist eine Prognose eines Erdbebens für eine bestimmt Woche keine sinnvolle Prognose). Eine hohe Wahrscheinlichkeit für das tatsächliche Eintreten des vorhergesagten Bebens. Was ist eine kleine Unsicherheit? Hängt von der Art der Prognose ab: Langzeit Prognose (viele Jahre); klein: (wenige) Jahre Mittlere Prognose (Monate bis ein Jahr); klein: (einige) Tage Kurzzeit Prognose (Tage bis Wochen); klein: ein Tag Unmittelbar Prognose (Stunden bis ein Tag); 4/18+ 2

3 Wann soll eine Warnung veröffentlicht werden? Eine Warnung sollte nur dann veröffentlicht werden, wenn die Schäden aufgrund einer Prognose im Mittel geringer sind als jene, die durch die Prognose vermieden werden können. Schäden Kein Erdbeben Erdbeben Keine Warnung 0 L B(eben) Warnung L W(arnung) L R(eduziert) Warnung wenn (1-P)L W < P(L B -L R ) P Wahrscheinlichkeit für Richtigkeit. Eher akademisch da: Schäden können nicht genau vorhergesehen werden (L W und L R hängen auch von der Prognose selbst ab (Qualität und Eintrittsfenster)); P ist nicht bekannt (zumindest in der näheren Zukunft). 5/18+ Radon Anomalien und Erdbeben Die Zunahme der Radonkonzentration in Grundwasser und Quellen vor starken Erdbeben konnte an mehreren Stellen beobachtet werden und löste systematische Untersuchungen aus, um dieses Phänomen zur Erdbebenprognose zu nutzen. Die Radonkonzentration in einem Bohrloch im Gebiet um Taschkent vor dem Hauptbeben und während einiger Nachbeben. Um ein Verständnis für das Auftreten gewisser Effekte vor Erdbeben zu erhalten, muss man die geophysikalischen Prozesse, die zu einem Erdbeben führen, genauer untersuchen. 6/18+ 3

4 Theorie der Erbebenvorläufer 1. Erdbeben treten vorwiegend an Störungszonen auf. (Das ist bereits ein Teile einer Erdbebenprognose.) 2. Die Ursache sind die unterschiedlichen Bewegungen tektonischer Platten. Reibungen blockieren die Relativbewegungen bis eine gewisse Spannung sich aufgebaut hat, die dann durch ein Erdbeben abgebaut wird. => Daher Beobachtung von a) Änderungen in den Plattenbewegungen; b) Effekten aufgrund von Spannungszunahme. 7/18+ Effekte der Plattentektonik und deren Kosequenzen hinsichtlich möglicher Erdbebenprognosen: Deformation als Funktion der Zeit: Rote Linie: Konstante Zunahme der Deformation und ab einer bestimmten Spannung entlädt sich die angesammelte Energie in einem Erdbeben. Blaue Linie: Tatsächliches Verhalten der Deformation als Funktion der Zeit. Die Länge der vertikalen Sprünge in der Deformation repräsentieren die freigesetzte Energie und damit die Stärke eines Bebens. Erdbeben entlang der Nordanatolischen Störungszone (NAFZ): Die bis 1979 durch Erdbeben aufgetretenen Risse an der Erdoberfläche werden als Funktion der Zeit durch gepunktete Linien angezeigt. Man erkennt zwei Gebiete in denen bis dahin keine Versetzungen durch Beben aufgetreten sind. Diese sind mit GAP bezeichnet. Man konnte damals erwarten, dass in diese Gebiete Erdbeben auftreten werden. Diese sind auch tatsächlich später eingetreten (schwarze Linien). Außerdem kann eine Tendenz in der Bewegung der Epizentren beobachtet werden. 8/18+ 4

5 Dilatanz-Theorie Zwei Sub-Theorien : Dilatanz-Diffusion-Theorie Dilatanz-Instabilitäts-Theorie Die Konsequenz von Rissen im Gestein: Vorbeben; Änderungen der Geschwindigkeit seismischer Wellen; Änderungen des Bodenwiderstandes; Änderungen tellurischer Ströme; Änderungen des Magnetfeldes; Änderungen des Schwerefeldes (z.b. Tilt [Neigung]); Lokale Bewegungen; Änderungen unterirdischer Wasser- und Gasströme => diese sind für alle geochemischen Vorläufereffekte, insbesondere für Radon, relevant! 9/18+ a v C 1 exp 2D Radon im Bodengas Die Radonkonzentration im Bodengas wird vor allem durch die Radiumkonzentration im Boden bestimmt. In einem ungestörten Bohrloch ist sie eine Funktion der Tiefe. An der Oberfläche ist die Konzentration nahezu Null, in einer ausreichenden Tiefe entspricht sie der Konzentration im ungestörten Boden. Die Radonkonzentration als Funktion der Tiefe berechnet sich aus einer Kombination von Diffussion und Transport. 2 v x 2 2 4D D D Diffusionkonstante, λ Zerfallskonstante, a Radonabgabe in das Porenvolumen, v vertikale Gasgeschwindigkeit, ε Porosität, x Abstand von der Oberfläche Die Radonkonzentration als Funktion der Tiefe für drei verschiedene vertikale Gasgeschwindigkeiten. Die verwendeten Parameter ε, D und v können für viele Gebiete als typisch angesehen werden. Vertikaler Maßstab in m, horizontaler } Empfindlichste Tiefe Maßstab in Einheiten von C o =a/λ. 10/18+ 5

6 Gemäß der Dilatanztheorie kommt es zu einer signifikanten Änderung der Gesteinseigenschaften kurz vor einem Beben. Dabei kann Wasser in die Risse eindringen und/oder die Anzahl der Risse wächst exponentiell an. In jedem Fall werden große Massen bewegt, die zu einer Bewegung von unterirdischen Gasen führen. Dies hat natürlich auch Auswirkung auf den den vertikalen Gasfluss nahe der Oberfläche. Man kann diesen leicht nachweisen, vorzugsweise in einer Tiefe von etwa 80 cm. Der größte Nachteil dieser Methode sind die starken Störungen durch die Umwelt, insbesondere durch meteorologische Einflüsse. Luftdruck, Wind und Temperaturänderungen stören die Ausbildung einer konstanten Radonverteilung in einer Bohrung und Niederschläge verändern die Durchlässigkeit des Bodens was natürlich Auswirkungen auf die Radonkonzentration im Bodengas hat. 11/18+ Radon im Grundwasser Grundwasser und Quellwasser sind natürlich wesentlich geringer durch Umwelteinflüsse gestört, da das Wasser ja aus einer entsprechenden Tiefe kommt. Die Ursache von Radonanomalien im Grundwasser ist entweder eine Änderung der Grundwasserströme aufgrund der effektiven Volumszunahme (Dilatanz) von gewissen Gesteinsformationen oder eine erhöhte Ausgasung der Gesteine aufgrund der größeren inneren Oberfläche durch die wachsende Anzahl von Rissen. ÄNDERUNG DER POROSITÄT Gestein/Wasser Kontaktfläche verändert Pegeländerungen im Grundwasser Änderungen Gas- Transport Diffusion Wasser kontaktiert anderen Gesteinstype Änderung des Mischungsverhältnisses ÄNDERUNG DER RADONKONZENTRATION 12/18+ 6

7 Typen von Radonanomalien: A B Langsame Änderung (zumeist eine Zunahme) der Radonkonzentration (<<0.1%/h); Schnelle Änderung der Radonkonzentration (>0.1%/h): B1 Auf den erste Anstieg folgt zumeist ein langsamen Anstieg oder eine eher konstante Radonkonzentration; B2 Spitzenartige Radon Anomalie (auf diese folgt oft ein Beben innerhalb von etwa 10 Tagen); B2+ positive Spitzen; B2- negative Spitzen; Von oben nach unten: Zwei Typ B1 Anomalien (Ninghe Erdbeben und Chienan Erdbeben), Typ B2+ und B2- Anomalien (Sungpan Erdbeben). Typ A Radon Anomalie (Alaijic Erdbeben, ). Die durchgezogene Line zeigt den mittleren Anstieg der Radonkonzentration. 13/18+ Wo kann man Radonanomalien erwarten? a) Entfernung: Vor starken Erdbeben wurden Radonanomalie sogar einigen hundert km vom Hypozentrum entfernt beobachtet. Aus den publizierten Erdbebenvorboten wurde ein Zusammenhang zwischen Entfernung und Magnitude abgeleitet: M 2.4 lg D Ähnliche Formeln fanden verschiedene Autoren, wobei sowohl empirische als auch theoretische Überlegungen herangezogen wurden. Solche Formeln lassen Radonanomalien vor einem M=5 Beben bis in eine Entfernung von 180 km und für ein Beben mit M=8 sogar bis 3000 km erwarten. Diese Abschätzungen beruhen auf Arbeiten, die einen Zusammenhang zwischen beobachteten Anomalien und bestimmten Erdbeben behaupten. In den meisten Fällen ist der Nachweis so eines Zusammenhanges jedoch schwierig. Es wurde versucht, über ein Spannungsausbreitungsmodell aus dem Anstieg der Radonkonzentration einer Typ B Anomalie, eine Entfernungsabschätzung vorzunehmen. Dabei soll die Anstiegsgeschwindigkeit der Radonkonzentration mit der Entfernung abnehmen. Damit lässt sich eine Distanz berechnen und mit obiger Formel auch eine minimale Magnitude. 14/18+ 7

8 b) Messort (Quelle, Brunnen, Bohrloch): Ein möglicher Hinweis auf eine Erdbebensensitivität einer Quelle könnte deren Reaktion auf Erdgezeiten sein. Erdgezeiten führen zu Deformationen bis zu 80 cm, wobei Spannungen auftreten, die die Porosität der Gesteine modifizieren können. Dilatanzeffekte in der Größenordnung von einigen 10-8 können enorme Auswirkungen auf unterirdische Wasserreservoirs haben. So hat man bei erdbebensensitive Quellen tägliche und halbtägliche Schwankungen der Radonkonzentration beobachtet, die möglicherweise auf Erdgezeiten beruhen. Ähnliche Effekt waren auch bei Bodengasmessungen und auch im Grundwasser an verschiedenen Orten nachzuweisen. Generell besteht zwar kein Zusammenhang zwischen Gezeiten und Erdbeben jedoch können vorgespannte Aquifers sehr empfindlich auf geringste Deformationen reagieren, wie man etwa aus dem Einfluss von Erdbebenwellen auf Grundwasserstände gesehen hat. Grundwasserpegelstandsänderungen in einem Bohrloch in Deutschland, ausgelöst durch die Erdbebenwellen eines Bebens nahe Gediz, Türkei ( ). Entfernung zum Epizentrum: 1900 km. 15/18+ Abschließende Bemerkungen Anomaly: a quantitatively measurable change in an environmental parameter that occurs before main-shocks, and that is thought to be linked to the preparation process for this main shock. (AGU, Wyss) Anomalie? Vorläufereffekt? Messergebnis Erdbeben Zeitachse Typische Veröffentlichung eines Erdbebenvorläufers 16/18+ 8

9 Wie definiert man eine Anomalie? Zuerst muss man die Messergebnisse hinsichtlich aller bekannten Einflussparameter korrigieren; Analyse der statistischen Verteilungsdichte; Abweichung vom Mittel um (mehrere) Standardabweichungen Anomalie Kurzfristige Abweichung vom laufendn Mittel um (einige) Standardabweichungen Anomalie Zu berücksichtigen sind in der Statistik: Fehler 1. Art: Falsche Annahme einer Anomalie. Fehler 2. Art: Anomalie als solche nicht erkannt. 17/18+ Zuordnung Anomalie - Erdbeben Prinzipiell nicht möglich => nur statistische Tests. Langfristige Untersuchungen sind an vielen Stellen nötig, wobei die mittlere Zeit zwischen den Erdbeben groß gegen die Dauer von Anomalien sein muss. Untersuchungen an verschiedenen Orten werden wahrscheinlich unterschiedliches Verhalten von Anomalien zeigen. Wichtig wäre die Koinzidenz von Anomalien an verschiedenen Orten zu zeigen aber nur wenige Messstellen werden erdbebensensitiv sein. Korrelationen mit anderen Arten von Erdbebenvorläufereffekten müssen geprüft werden. Signifikanztests jedenfalls notwendig. 18/18+ 9