Aktuelles aus der Erdbebenforschung

Transkript

1 Aktuelles aus der Erdbebenforschung Prof. Eduard Kissling Institut für Geophysik ETH Zürich Naturwissenschaftliche Gesellschaft Winterthur, 13. Jan. 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

3 Später: Erdbeben = göttliche Strafe 1356 Basel Aus den politischen und wissenschaftlichen Diskussionen nach dem Erdbeben und Tsunami von Lissabon entwickelte sich die Seismologie Lissabon NGW Winterthur

4 Inhalt der Präsentation Warum und wie Erdbeben entstehen (Plattentektonik) Tektonik des Alpengebietes und Bedeutung für die Seismizität in der Schweiz (Gebirgsbildung an alter Plattengrenze) Wie laufen Erdbeben ab? Erdbebenprozesse und ihre Folgen Primäre und sekundäre Folgen (Tsunami) Induzierte Seismizität (by nature & by humans) Welche Art von Voraussagen sind möglich und was können wir tun? Erfassung und Kommunikation von seismischer Gefährdung und Erdbebenrisiko Grenzen des Wissens & Frühwarnsysteme für Erdbeben und ihr potentieller Nutzen NGW Winterthur

5 Wir leben auf der äusseren Schale eines flüssigen Planeten Lithosphäre <1200 o C flüssiger Mantel Kern (flü.+fest) Lithosphere = äussere feste Schale aus gefrorenem Mantel mit einer dünnen chemisch unterschiedlichen Krustenschicht zuoberst ANALOGON: Lava Platten bewegen sich auf Magmasee NGW Winterthur

6 Lithosphäre ist in Platten zerbrochen 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. Lava Platten auf Magma-See Abgekühlte ozeanische Lithosphäre (wie Lava- Platten) ist dichter als der flüssige unterliegende Mantel (wie der Magmasee) => ozean. Lithosphäre kann versinken! NGW Winterthur

7 Wie ein Ozean entsteht und grösser wird A continent is broken up Mittelozeanischer Rücken (MOR) in Island Iceland A rift zone develops, as f.e. the Rhinegraben in Europe As the two continents further rift apart, MOR is created (Red Sea) Öffnen des Nordatlantiks mit etwa 4cm/Jahr (=>4000km/100MioJahre) MOR Mature ocean further opens f.e. Indian ocean Süd- Atlantischer Ozeanboden NGW Winterthur

8 Ozeane werden geschlossen durch Subduktion der ozean. Lithosphäre Position der Kontinente während letzten 400 Mio. Jahre Kontinentaldrift ist eine Konsequenz des Öffnen und Schliessen von Ozeanen NGW Winterthur

9 Wie wir den Ozeanboden kartieren können NGW Winterthur

10 Wie wir den Ozeanboden kartieren können NGW Winterthur

11 Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale Ozean. Lithosphäre max. 185 Mio Jahre Subduktion MOR (kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein) NGW Winterthur

12 Ozeanische Lithosphäre ist viel jünger als kontinentale Ozean. Lithosphäre max. 185 Mio Jahre Subduktion MOR => Recycling von ozean. Lithosphäre (kontinentale Lithosphäre kann bis 3800 Mio Jahre alt sein) NGW Winterthur

13 3 Arten von Plattengrenzen Erdbebenverteilung entlang dieser P-Grenzen (nicht gezeigt für Subduktionszone) San Andreas Bruchsystem Mittelozean. Rücken (MOR) 1 Alpen, Anden, Subduktionszonen NGW Winterthur

14 Bewegung der Lithosphärenplatten bewirkt tektonische Spannungen, welche sich in Erdbeben entladen (& Verformungen der Lithosphäre) <1200 o C flüssig (Mag>6) und historische Beben Erdbeben entstehen primär an Plattengrenzen! NGW Winterthur

15 Grosse Erdbeben entstehen regelmässig wegen der Plattentektonik (und Millionen von mittelgrossen und kleinen Beben dazu) Sumatra M9.1 Erdbeben war 3. stärkstes seit 1900 Tohoku M9 Erdbeben war 4. stärkstes seit1900 NGW Winterthur

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

17 Erdbeben: Voraussagen für Erdbeben sind heute nicht möglich! Magnitude+Uhrzeit bis heute nicht möglich (möglich deshalb sind kennzeichnen gefährderter Gebiete und Vorsorge) Tsunami: Long term Hazard mapping Vulkanausbrüche: VORSORGE! Grösse+Uhrzeit möglich, Warnzeiten von wenigen Minuten bis mehrere Stunden Long term (bei Kurzzeitwarnungen Trefferquote 50%) forecasting Short term Grösstmögliche forecasting Gefahren mit Warnzeiten Early von Tagen möglich warning (Trefferquote exakte Voraussage gering, Erfolgsquote und Akzeptanz sehr hoch) Time decades years days seconds NGW Winterthur

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

19 VORSORGE: Wozu Erfassung Seismischer Gefährdung? => Richtlinien für erdbebensicheres Bauen primäre und sekundäre Effekte von Erdbeben z.b. Verschiebung entlang Bruchfläche bei 1906 San Francisco Erdbeben Prozesse im Quellgebiet Kirche in Armenien nach 1988 Erdbeben Effekte von seismischen Wellen Weitere Beispiele: Hangrutsch, Tsunami NGW Winterthur

20 Richtlinien für Infrastuktur und Gebäude in Erdbeben- und in Tsunami- Gebieten VORSORGE! Courtesy S. Hettiarachchi NGW Winterthur

21 VORSORGE: Bestimmung der Erdbebengefährdung eines Gebietes Schritte zur Berechnung der Erdbebengefährdung Erdbebenkatalog Lokale und Plattentektonik Seismische Aktivitätsrate Abminderung der Wellenstärke mit Distanz Lokale Untergrundeffekte Gefährdung: Stärke der Bodenbewegung mit 10% Wahrscheinlichkeit in 50 Jahren NGW Winterthur

22 Instrumentell gemessene Seismizität in der Schweiz Korreliert mit Tektonik der Alpen! Schweizerischer Erdbebendienst NGW Winterthur

23 Was wissen wir über die Erdbeben früherer Jahrhunderte? Basel 1356 Sierre, M6.1 Historische Seismizität NGW Winterthur

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

25 Historische Beben: Intensität-Skala I bis XII (Kartierung des Schadensbildes => Ort und Stärke des Bebens) 1356, M6.9, Basel 1855, M6.4, Visp NGW Winterthur

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

27 Erdbebenkatalog der letzten 1000 Jahre für die Schweiz NGW Winterthur

28 Seismische Gefährdung (seismic hazard) Seismic hazard bei AKW (Fukushima) Gleicher seismic hazard hat andere Bedeutung für einsamen Ort in Wüste oder in einer Stadt und für ein EFH oder eine chemische Fabrikanlage! und im 53km-NEAT Tunnel NGW Winterthur

29 Seismische Gefährdung kritischer Infrastruktur Frühwarnung Seismik & Tsunami und Abschaltung der AKW AKW Fukushima I Häfen & Bevölkerungszentren M9.0 Tohoku-Erdeben vom 11.März 2011 NGW Winterthur

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! Alle AKW s in Japan sind mehrfach korrekt abgeschaltet worden vor der Ankunft gefährlicher seismischer Wellen! M6 M9 Beim AKW Fukushima begannen die Probleme mit dem Tsunami! NGW Winterthur

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! Alle AKW s in Japan sind mehrfach korrekt abgeschaltet worden vor der Ankunft gefährlicher seismischer Wellen! M6 M9 Beim AKW Fukushima begannen die Probleme mit dem Tsunami! NGW Winterthur

32 Folgen des Tsunami vom 11. März 2011: Unterbruch Kühlung von 4 Reaktoren des AKW Fukushima I Nach Abschaltung produziert ein Reaktor weiter 5% der thermischen Leistung, langsam abklingend auf 1% über nächste Tage. Tsunami zerstörte den ungeschützten Diesel Tank in Fukushima I => Reaktoren hatten noch Diesel für Kühlung von nur ½ Tag NGW Winterthur

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

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 unverantwortlich schlecht (Fukushima). - Kühlungsbedarf und Wahrscheinlichkeit sowie Folgen eines Ausfalls der Energieversorgung wurden (weltweit) unterschätzt. - Schwierigkeit der Bewältigung eines Störfalls stark unterschätzt. - Die Folgen des AKW-Unglücks werden noch Jahre spürbar sein. edelweiss air Zürich-Flughafen NGW Winterthur E. Kissling 34

35 Seismische Gefährdung ist durch Erde/Plattentektonik gegeben. Seismisches Risiko, weitgehend human-made! Seismische Gefährdung Lokaler Bauuntergrund Wert und Risiken im Gebiet Verwundbarkeit Seismisches Risiko Unter Ausschluss von AKW: seismic risk is dominated by economic value and is concentrated in urban areas NGW Winterthur

36 VORSORGE: (Unter Ausschluss von Atomkraftwerken) 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. Tsunami: - Japan ist gut vorbereitet, prima Warnung und mehrheitlich gute Reaktion der Bevölkerung. Bauliche Massnahmen (teuer) könnten noch stark verbessert werden. - Wir in der Schweiz haben keine grossen Tsunami s, allenfalls in Seen. Allerdings halten wir uns oft in Regionen mit grosser Tsunami- Gefährdung auf. NGW Winterthur

37 Neuer Alpen Tunnel NEAT 53km 2. Beispiel Kritische Infrastruktur NGW Winterthur

38 2. Beispiel Kritische Infrastruktur Herausforderungen beim Bau des Gotthard Basistunnels Hohe Temperaturen, Wasser und Konsequenzen für Grundwassersystem (=> Staudämme), Geologie, Bergschläge und Mikrobeben & extreme Tunnel-Deformationen NGW Winterthur

39 2. Beispiel Kritische Infrastruktur Viele und sehr starke Bergschläge in der MFS Faido Warum diese starken Bergschläge? Gibt Tunnelabschnitte grösserer Gefahr? Können wir Bergschläge voraussagen? Effekt eines starken Bergschlag vom Boden her Können wir Bergschläge abwenden? Techn. Vorsorge während Konstruktion? Langzeitgefahr für Tunnel nach Fertigstellung? NGW Winterthur

40 ? SEHR starke Bergschläge Mikrobeben? 2. Beispiel Kritische Infrastruktur Keine seismische Aktivität in Region vor Beginn der Arbeiten in der MFS Faido im Fusio Fusio Erdbebenverteilung => Installation des Lokalen Netzes Faido Mar2006 (blaue Dreiecke) NGW Winterthur

41 Micro-Seismizität Faido Earlyer hypocenters poorly located, most probably in same location as later quakes seismicity to Using 3D local velocity model extablished with registring explosion GAP < 160 Grad Hauptachse der Fehlerellipse < 1 km NGW Winterthur

42 Genaue Lokalisierung für Beben-Cluster 11 (incl. Mag2.4 event) P S subcluster 0 subcluster 1 subcluster 2 => Hypozentren < 250m Distanz vom Tunnel subcluster 3 cluster 11 Subcluster grouping and distance from tunnel by using S-P times! NGW Winterthur

43 Verzögert nach Bauende klingt die Seismizität ab 110 Mikroerdbeben total Excavation work stops October NGW Winterthur

44 Zusammenfassung der Beobachtungen Wir wissen: Mikrobeben finden in Schwärmen an einem sub-vertikalen Bruchsystem statt, dieses ist sub-parallel zu einem im Tunnel, jedoch ca. 200m im NE. NGW Winterthur

45 Ein Versuch den beobachteten Prozess zu verstehen NGW Winterthur

46 2. Beispiel Kritische Infrastruktur conclusions - Analysis of rock bursts and micro-eqs helped to establish precautionary procedures to prevent accidents during construction - Understanding of tectonic process allows mitigation measures for later train operation in tunnel - Significant tectonic forces are present at shallow crustal depth also in region of very low seismicity - Seismic activity may be triggered by relatively small human-made or natural effects. - Rock rheology/mechanics at 2km depth is surprisingly different (known to mining industry before but new for transportation tunnels) NGW Winterthur

47 Das Erdbeben Risiko Hohes Risiko: Ein grosses Beben, weicher Untergrund, viele Menschen, in schlecht gebauten Häusern. NGW Winterthur

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 Milliarden Franken betragen. NGW Winterthur

49 Der Untergrund in der Schweiz Harte Böden Weiche Böden NGW Winterthur

50 Seismisches Risiko wird primär von uns bestimmt! (Unter Ausschluss von Atomkraftwerken) NGW Winterthur

51 " Seismisches Bessere Wissenschaft Risiko wird würde primär natürlich von helfen. uns bestimmt! Allerdings ist es überhaupt nicht klar, inwiefern der Erdbebenprozess besser vorhersagbar ist. (Unter Ausschluss von Atomkraftwerken) " 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. Vorsorge: Einführen verbesserter Bauvorschriften SIA261 Training der Reaktion auf Erdbeben NGW Winterthur

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. Erdbeben-VORSORGE, weil wir die seismische Gefährdung zum Risiko machen! Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! NGW Winterthur

53 Expected future large earthquakes 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) NGW Winterthur