Wenn die Erdkruste bricht

Die Stärke der Analyse der ETH-Forscher liegt in ihrer Einfachheit. (Abo+)

10.10.2019 11:20:00

Die Stärke der Analyse der ETH-Forscher liegt in ihrer Einfachheit. (Abo+)

Seismologen der ETH können an kleinen Erschütterungenablesen, ob ein starkes Beben bevorsteht. Das kann Leben retten.

haben etwas gemeinsam: Sie kommen überraschend und münden in einer Sequenz von Nachbeben, deren Stärke im Laufe von Monaten oder Jahren abklingt. Gelegentlich aber kommt es ganz anders. Auf das Beben, das am 24. August 2016 die Gemeinde Amatrice in Mittelitalien mit einer Magnitude von 6,2 erschütterte und rund 300 Menschenleben forderte, folgte zwei Monate später ein noch stärkeres Beben der Magnitude 6,6. Es schlug am 30. Oktober 2016 nur 20 Kilometer weiter nordwestlich bei Norcia zu. Es war das stärkste Beben, das in den mittleren und nördlichen Apenninen seit der Industrialisierung auftrat.

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Im Grunde war das Beben in Amatrice also gar nicht das Hauptbeben, sondern ein Vorbeben für die Erschütterung vom 30. Oktober. Nur: Wie lässt sich erkennen, ob ein mittleres oder starkes Erdbeben bereits das Hauptbeben war oder mit einem noch stärkeren Folgebeben zu rechnen ist? Bislang gab es dafür nur statistische Aussagen: In fünf bis zehn Prozent der Fälle kommt es bald nach einem starken Beben zu einer noch stärkeren Erschütterung in der näheren Umgebung. Die bange Frage für die betroffene Bevölkerung und den Katastrophenschutz ist daher: War es das schon? Dürfen die Menschen zurück in ihre Häuser? Oder steht der eigentliche Schlag noch aus und die Region sollte vorerst evakuiert bleiben? Mit einer statistischen Aussage ist den Betroffenen in dieser Situation kaum geholfen.

Nun haben Laura Gulia und Stefan Wiemer vom Schweizerischen Erdbebendienst an derETH Züricheine Methode vorgestellt, um anhand der Charakteristik von Nachbeben fast in Echtzeit zu erkennen, ob mit einem stärkeren Folgebeben zu rechnen ist. Dazu untersuchten die Seismologen die Daten von 58 Erdbebensequenzen und entwarfen ein Ampelsystem, das die künftige Entwicklung anzeigt: Steht die Ampel aufgrund der Charakteristik der Nachbeben auf Rot, besteht akute Gefahr für eine noch grössere Erschütterung. Zeigt die Ampel grün, wie es in rund 80 Prozent der untersuchten Beben der Fall war, ist kaum mit einem stärkeren Folgebeben zu rechnen. Die Nachbeben sollten langsam abklingen. Bei Gelb ist unsicher, wie es weitergeht.

Ampel-System hat sich in 95 Prozent der Fälle bewährtDie Wahrscheinlichkeit für ein starkes Folgebeben hängt mit dem Spannungszustand im Untergrund zusammen. Dieser lässt sich allerdings nicht direkt ermitteln. Aus Labormessungen weiss man jedoch, dass der Spannungszustand indirekt mit einer bestimmten Charakteristik der Nachbeben korreliert, dem sogenannten b-Wert. Diese Messgrösse kennzeichnet das Verhältnis zwischen der Grösse und der Anzahl Beben. In seismisch aktiven Regionen liegt der b-Wert typischerweise bei eins. Das bedeutet: Für jedes Beben der Magnitude 4 gibt es zehn Beben der Magnitude 3 und 100 Beben der Magnitude 2.

Ist der b-Wert zu einer gewissen Zeit kleiner oder grösser als der ortsübliche Wert, ist das Verhältnis zwischen Anzahl und Grösse der Erschütterungen verschoben. Das wiederum zeugt von einem veränderten Spannungszustand im Untergrund.

«Wir benutzen Tausende kleine Beben einer Nachbebensequenz als eine Art indirektes Spannungsmessgerät», sagt Wiemer. «Dazu nutzen wir die relative Grössenverteilung der Beben, den b-Wert. Geht der b-Wert nach einem Erdbeben hoch, dann hat sich die Spannung deutlich erniedrigt, und ein grösseres Beben ist eher unwahrscheinlich.» Die Erdbeben-Ampel springt auf grün. Sinkt hingegen nach einem Erdbeben der b-Wert, deutet das auf steigende Spannungen im Untergrund hin. Es ist mit einem grösseren Folgebeben zu rechnen. Die Ampel zeigt rot. In 95 Prozent der untersuchten Fälle hat sich das entwickelte Ampelsystem gemäss der Studie bewährt.

Im Fall von Amatrice sank der b-Wert nach der Erschütterung im August 2016. Damit stieg die Wahrscheinlichkeit für ein starkes Folgebeben der Magnitude 6,6 um einen Faktor 30, in Norcia gar um einen Faktor 1000. Erst nach dem Hauptbeben vom Oktober stieg der b-Wert markant an, wie es für eine schwächer werdende Folge von Nachbeben zu erwarten ist. Bis heute ereignete sich dort kein grösseres Erdbeben, schreiben die Forscher, obwohl das im Herbst 2016 durchaus befürchtet wurde.

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Die Stärke der Analyse der ETH-Forscher liege in ihrer Einfachheit, sagt Sebastian Hainzl, Geophysiker und Experte für statistische Seismologie am deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam. «Denn der b-Wert einer Nachbebensequenz ist einfach zu berechnen.» Zudem könne die vorgeschlagene Ampel für Entscheidungsträger sehr hilfreich sein. Allerdings basiere die Studie nur auf der rückblickenden Analyse von vergangenen Erdbebenereignissen. Sie müsse sich noch bei der Echtzeitanalyse von aktuellen Erdbeben bewähren. «Wichtig sind zukünftige Echtzeittests, um die Vorhersagekraft der Methode besser beurteilen zu können.» Laut Wiemer wäre es nun auch wichtig, dass andere Forschergruppen die Methode anhand von weiteren Erdbebensequenzen überprüfen. Aber schon jetzt könne man damit Seismologen und den Zivilschutz bei der Entscheidung unterstützen.

Methode funktioniert nur mit dichtem seismischem NetzwerkAktuell könnte die Methode allerdings nur in Ländern erfolgreich angewendet werden, die über ein dichtes seismisches Netzwerk und entsprechende Datenverarbeitungskapazitäten verfügen. Daher fordern die ETH-Forscher in der Studie den Aufbau eines entsprechend leistungsfähigen Erbeben-Messnetzes rund um den Globus. Hainzl ist jedoch skeptisch, ob die Analyse des b-Werts als Einzelmerkmal jemals ausreichen wird, um eine wirklich verlässliche Aussage über die Wahrscheinlichkeit von starken Folgebeben zu treffen. «Insbesondere die Frage nach dem Wann kann so nicht einfach beantwortet werden», sagt Hainzl. «Solche b-Wert-Analysen können nur ein Indiz liefern.»

Die Frage, ob die Erdbeben-Ampel auch für die Schweiz relevant ist, beantwortet Wiemer mit Jein. Grosse Beben der Magnitude 6 gebe es bei uns glücklicherweise nur alle 50 bis 150 Jahre. «Aber zum Beispiel das Basler Beben von 1356 hatte ein grosses Vorbeben der Magnitude 5,5.» Hier wäre die Erdbeben-Ampel wohl auf Rot gesprungen. «Zudem lässt sich die Methode vielleicht in Zukunft auch auf kleine Beben und Erdbebenschwärme anwenden, wie es sie auch in der Schweiz gibt.»

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