Erdbeben als auslösender Faktor für Hangrutschungen im Bonner Raum?
©2004
Diplomarbeit
142 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Hangrutschungen treten weltweit auf und werden weltweit kartiert. Oft fehlen jedoch die Hinweise auf den Auslöser der Hangrutschungen. Natürliche Auslöser können Erdbeben, Niederschläge oder Bodenfeuchtigkeit sein. Im Gegensatz zu den zahlreichen Konzepten und Methoden für durch Niederschläge ausgelöste Hangrutschungen, sowohl für die lokale als auch für die regionale Ebene, fehlen diese weitgehend für Hangrutschungen, die durch Erdbeben ausgelöst werden.
Für das Gebiet um Bonn gibt es seit Jahrzehnten Studien über Hangrutschungen. Der Schwerpunkt wurde jedoch auf die Kartierung der Hangrutschungen, sowie deren Bewegungsmuster gelegt. Obwohl in früheren Studien mehrfach darauf hingewiesen wurde, dass Erdbeben auch Hangrutschungen auslösen können, ist eine systematische Analyse für den Bonner Raum bislang nicht durchgeführt worden.
In dieser Studie wird für den lokalen Bereich eine Methode benutzt, die für das Auftreten von Bodenverflüssigung entwickelt wurde, mit der Annahme, dass Bodenverflüssigung eines Hangsegmentes eine Rutschung auslösen könnte. Das Ergebnis dieser Berechnungen für einige ausgewählte Hänge sind die Minimum Magnitude und Beschleunigung, bei der Bodenverflüssigung auftreten kann.
Für die regionale Analyse wurden diese Werte mit bekannten historischen Erdbeben verglichen und so potentielle Erdbeben mit den entsprechenden Magnituden bzw. Intensitäten lokalisiert.
Anschließend wurden die Daten der Erdbeben mit denen der Hangrutschungen verglichen. Die Analysen zeigten, dass Erdbeben das Potenzial haben, im Bonner Raum Hangrutschungen auszulösen.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
GliederungI
TabellenverzeichnisII
AbbildungsverzeichnisII
Verzeichnis der AnhängeIII
Liste der Abkürzungen und SymboleV
1.Einleitung und Fragestellung1
2.Definitionen4
2.1Hangrutschung4
2.1.1Hangrutschungen als geomorphologischer Prozess4
2.1.2Typen von Hangrutschungen5
2.1.3Auslöser für Hangrutschungen7
2.2Erdbeben14
2.2.1Entstehung von Erdbeben19
2.2.2Erdbeben in Deutschland21
2.2.3Wellenausbreitung bei Erdbeben22
2.2.4Wege der Wellen mit Reflexionen und Verstärkungen24
2.2.5Einfluss der Wellenenergie auf verschiedene Bodenarten26
2.3Bodenverflüssigung29
3.Überblick zu Untersuchungen über 'Hangrutschungen, die durch Erdbeben ausgelöst werden'31
4.Untersuchungsgebiet Bonner Raum33
4.1Abgrenzung des Untersuchungsgebietes für Hangrutschungen35
4.2Abgrenzung des Untersuchungsgebietes für […]
Hangrutschungen treten weltweit auf und werden weltweit kartiert. Oft fehlen jedoch die Hinweise auf den Auslöser der Hangrutschungen. Natürliche Auslöser können Erdbeben, Niederschläge oder Bodenfeuchtigkeit sein. Im Gegensatz zu den zahlreichen Konzepten und Methoden für durch Niederschläge ausgelöste Hangrutschungen, sowohl für die lokale als auch für die regionale Ebene, fehlen diese weitgehend für Hangrutschungen, die durch Erdbeben ausgelöst werden.
Für das Gebiet um Bonn gibt es seit Jahrzehnten Studien über Hangrutschungen. Der Schwerpunkt wurde jedoch auf die Kartierung der Hangrutschungen, sowie deren Bewegungsmuster gelegt. Obwohl in früheren Studien mehrfach darauf hingewiesen wurde, dass Erdbeben auch Hangrutschungen auslösen können, ist eine systematische Analyse für den Bonner Raum bislang nicht durchgeführt worden.
In dieser Studie wird für den lokalen Bereich eine Methode benutzt, die für das Auftreten von Bodenverflüssigung entwickelt wurde, mit der Annahme, dass Bodenverflüssigung eines Hangsegmentes eine Rutschung auslösen könnte. Das Ergebnis dieser Berechnungen für einige ausgewählte Hänge sind die Minimum Magnitude und Beschleunigung, bei der Bodenverflüssigung auftreten kann.
Für die regionale Analyse wurden diese Werte mit bekannten historischen Erdbeben verglichen und so potentielle Erdbeben mit den entsprechenden Magnituden bzw. Intensitäten lokalisiert.
Anschließend wurden die Daten der Erdbeben mit denen der Hangrutschungen verglichen. Die Analysen zeigten, dass Erdbeben das Potenzial haben, im Bonner Raum Hangrutschungen auszulösen.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
GliederungI
TabellenverzeichnisII
AbbildungsverzeichnisII
Verzeichnis der AnhängeIII
Liste der Abkürzungen und SymboleV
1.Einleitung und Fragestellung1
2.Definitionen4
2.1Hangrutschung4
2.1.1Hangrutschungen als geomorphologischer Prozess4
2.1.2Typen von Hangrutschungen5
2.1.3Auslöser für Hangrutschungen7
2.2Erdbeben14
2.2.1Entstehung von Erdbeben19
2.2.2Erdbeben in Deutschland21
2.2.3Wellenausbreitung bei Erdbeben22
2.2.4Wege der Wellen mit Reflexionen und Verstärkungen24
2.2.5Einfluss der Wellenenergie auf verschiedene Bodenarten26
2.3Bodenverflüssigung29
3.Überblick zu Untersuchungen über 'Hangrutschungen, die durch Erdbeben ausgelöst werden'31
4.Untersuchungsgebiet Bonner Raum33
4.1Abgrenzung des Untersuchungsgebietes für Hangrutschungen35
4.2Abgrenzung des Untersuchungsgebietes für […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 8415
Meyenfeld, Horst:
Erdbeben als auslösender Faktor für Hangrutschungen im Bonner Raum?
Hamburg: Diplomica GmbH, 2004
Zugl.: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Diplomarbeit, 2004
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Diplomica GmbH
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Printed in Germany
Gliederung
- I -
Erdbeben als auslösender Faktor für Hangrutschungen im
Bonner Raum?
Gliederung:
Gliederung ... I
Tabellenverzeichnis ... II
Abbildungsverzeichnis ... II
Verzeichnis der Anhänge ... III
Liste der Abkürzungen und Symbole... V
1.
Einleitung und Fragestellung ... 1
2.
Definitionen... 4
2.1.
Hangrutschung... 4
2.1.1.
Hangrutschungen als geomorphologischer Prozess... 4
2.1.2.
Typen von Hangrutschungen ... 5
2.1.3.
Auslöser für Hangrutschungen... 7
2.2.
Erdbeben ... 14
2.2.1.
Entstehung von Erdbeben... 19
2.2.2.
Erdbeben in Deutschland... 21
2.2.3.
Wellenausbreitung bei Erdbeben ... 23
2.2.4.
Wege der Wellen mit Reflexionen und Verstärkungen ... 25
2.2.5.
Einfluss der Wellenenergie auf verschiedene Bodenarten ... 27
2.3.
Bodenverflüssigung ... 30
3.
Überblick zu Untersuchungen über 'Hangrutschungen, die durch Erdbeben
ausgelöst werden' ... 32
4.
Untersuchungsgebiet Bonner Raum ... 34
4.1.
Abgrenzung des Untersuchungsgebietes für Hangrutschungen... 36
4.2.
Abgrenzung des Untersuchungsgebietes für Erdbeben ... 37
4.3.
Hangrutschungen im Bonner Raum und ausgehende Gefährdung ... 37
4.4.
Erdbeben im Bonner Raum und ausgehende Gefährdung... 38
5.
Methodenbeschreibung ... 40
5.1.
Verfügbare Modelle... 40
5.1.1.
Hangrutschungen... 40
5.1.2.
Erdbebenausbreitung / -einfluss / -auswirkungen ... 41
5.2.
Lokale Ebene ... 42
5.2.1.
Modell 'Hollnack' ... 42
5.2.2.
Modell 'Newmark Displacement' ... 44
5.3.
Regionale Ebene ... 49
5.3.1.
Modell 'Crozier'... 50
5.3.2.
Modell 'Kövesligethy'... 50
5.3.3.
Modell 'Wilson / Keefer' (ARIAS-Intensität)... 51
5.3.4.
Modell 'Keefer' (Einflussgebiet)... 52
5.3.5.
Modell 'Newmark - Displacement' ... 52
5.4.
Datenbanken für Hangrutschungen und Erdbeben ... 53
5.4.1.
Hangrutschungen... 53
5.4.2.
Erdbeben... 53
6.
Analyse... 55
6.1.
Lokale Ebene ... 55
6.1.1.
Modell 'Hollnack' ... 55
6.1.2.
Modell Newmark Displacement... 60
6.2.
Regionale Ebene ... 68
6.2.1.
Modell 'Crozier'... 68
Gliederung
- II -
6.2.2.
Modell 'Kövesligethy'... 69
6.2.3.
Modell 'Wilson / Keefer' (ARIAS - Intensität)... 71
6.2.4.
Modell 'Keefer' (Einflussgebiet)... 73
6.2.5.
Modell 'Newmark - Displacement' ... 75
6.3.
Auswertung der Datenbanken ... 77
6.3.1.
Hangrutschungen im Bonner Raum... 77
6.3.2.
Erdbeben, die den Bonner Raum beeinflussen können... 77
6.3.3.
Korrelation der beiden Datenbanken ... 82
7.
Ergebnisse und Probleme ... 84
7.1.
Ergebnisse ... 84
7.1.1.
Vergleich und Wertung... 84
7.1.2.
Probleme und Perspektiven ... 87
8.
Zusammenfassung... 89
9.
Literaturverzeichnis ... 91
10.
Anhang ... 96
Tabellenverzeichnis:
Tabelle 1: Geringste Erdbebenstärke für die Auslösung von Hangrutschungen ...13
Tabelle 2: Relative Häufigkeit der Typen von Hangrutschungen...14
Tabelle 3: Klassifizierung nach Herdtiefen ...16
Tabelle 4: Klassifizierung nach Entfernung ...16
Tabelle 5: Substratabhängige Geschwindigkeit der P - und S - Wellen ...27
Tabelle 6: Faktoren für die qualitative Beurteilung instabiler Hänge ...40
Tabelle 7: FOS vs. Hangstabilität ...47
Tabelle 8: Vergleich 'FOSmin' 1. / 2. Testlauf...59
Tabelle 9: Mögliche Parameter für die Berechnungen des 'Newmark Displacement' für das
Melbtal...62
Tabelle 10: Kriterien Modell 'Crozier' mit Bewertungen ...68
Tabelle 11: Erdbeben um Bonn < 15 km Entfernung, sortiert nach I
0
...74
Tabelle 12: Erdbeben außerhalb 200km-Radius mit Reichweite >200km...81
Tabelle 13: Erdbeben außerhalb 200km-Radius mit Intensität
8...81
Tabelle 14: Erdbeben mit einer Spürbarkeits-Reichweite > 100 km...82
Tabelle 15: Registrierte Hangrutschungen, die durch Erdbeben ausgelöst wurden...83
Tabelle 16: Einflussgebiet von Erdbeben nach Peduzzi...86
Abbildungsverzeichnis:
Abbildung 1: Aufbau der Diplomarbeit ...3
Abbildung 2: Ein Vorschlag zur Gliederung denudativer Prozesse nach (Crozier 1986) ...5
Abbildung 3: Schematische Darstellung von Hangrutschungen...6
Abbildung 4: Kräfte, die auf ein Partikel an einem Hang einwirken ...7
Abbildung 5: Newmark's 'sliding block' ...11
Abbildung 6: Schematische Darstellung der Bedeutung verwendeter Begriffe ...15
Abbildung 7: Schema Scherbruch ...21
Abbildung 8: Schema Haupt- / Nachbeben ...21
Abbildung 9: P - bzw. Kompressions- Wellen mit Partikelbewegung ...23
Abbildung 10: S - bzw. Scher- Wellen mit Partikelbewegung...24
Abbildung 11: Love-Wellen mit Partikelbewegung ...24
Abbildung 12: Raleigh-Wellen mit Partikelbewegung ...25
Abbildung 13: Laufwege der Erdbebenwellen durch den Erdkörper ...26
Abbildung 14: Verstärkungswirkung verschiedener Gesteinsarten ...28
Abbildung 15: Schema Bodenverflüssigung ...31
Gliederung
- III -
Abbildung 16: Generalisierte Darstellung des Rhein - Rhone - Grabensystem...35
Abbildung 17: Konzeptionelles Diagram des Modell 'Hollnack' ...42
Abbildung 18: Modell Newmark - displacement...45
Abbildung 19: W - E - Profil Melbtal mit 'virtuellen Bohrlöchern', Höhe : Länge = 1:1.250 ...57
Abbildung 20: Legende zur Hydrologischen Karte 5208 Bonn und Abbildung 19 ...58
Abbildung 21: Newmark Displacement vs. FOS (fiktive Werte)...61
Abbildung 22: Newmark Displacement vs. FOS mit Werten des Melbtales, m=0 ...63
Abbildung 23: Newmark Displacement vs. FOS mit Werten des Melbtales, m=0,5 ...64
Abbildung 24: Newmark Displacement vs. Hangwinkel mit m=0 (Melbtal)...65
Abbildung 25: Newmark Displacement vs. Hangwinkel mit m=0,5 (Melbtal)...66
Abbildung 26: Newmark Displacement vs. ARIAS-Intensität, mit einem Hangwinkel von 20°
und m=0,5 (Melbtal) ...66
Abbildung 27: Newmark Displacement vs. kritische Beschleunigung, m=0,5 ...67
Abbildung 28: Intensität vs. Entfernung nach Kövesligethy, Absorptionskoeffizient: 0,005...69
Abbildung 29: Intensität vs. Entfernung nach Kövesligethy, Absorptionskoeffizient: 0,001...69
Abbildung 30: min Mw vs. Entfernung, Tiefe und ARIAS - Intensität...72
Abbildung 31: Einflussgebiet nach Keefer: Radius vs. Magnitude vs. Konstanten...73
Abbildung 32: Anzahl registrierter Erdbeben pro Jahr 800 - 2002...77
Abbildung 33: Anzahl registrierter Erbeben pro politischer Region 800 - 2002 ...78
Abbildung 34: Anzahl registrierter Erdbeben pro Jahr in NRW 800 - 2002 ...79
Abbildung 35: Anzahl registrierter Erdbeben pro Io in NRW 800 - 2002 ...79
Verzeichnis der Anhänge:
Anhang A- 1: Erdrutsch Yungay ...96
Anhang A- 2: Profile Yungay ...97
Anhang A- 3: Typen von Hangrutschungen, die durch Erdbeben ausgelöst werden können 98
Anhang A- 4: Modifizierte Mercalli-Skala...99
Anhang A- 5: Vergleich Magnitude / Intensität / Beschleunigung...99
Anhang A- 6: Muster eines Seismogramms ...100
Anhang A- 7: Anzahl Erdbeben weltweit pro Jahr mit Energieäquivalenten...100
Anhang A- 8: Epizentralkarte Deutschlands mit Randgebieten 800 - 2002...101
Anhang A- 9: Erdbebenzonen Deutschlands...102
Anhang A- 10: Epizentren der Schadenbeben von 800 - 2002 ab Intensität
VI ...103
Anhang A- 11: Isoseisten Erdbeben Roermond 13.04.1992, M=5,9, I=VII...104
Anhang A- 12: Seismogramme eines Erdbebens bei Alsdorf...105
Anhang A- 13: Tektonische Karte der Niederrheingrabens ...106
Anhang A- 14: Geologie Untersuchungsgebiet ...106
Anhang A- 15: Epizentralkarte der Erdbeben der Niederrhein. Bucht seit 1980 ...107
Anhang A- 16: Lage der Hangrutschungen im Untersuchungsgebiet ...108
Anhang A- 17: Lage der Hangrutschungen im Melbtal mit virtuellen Bohrprofillinien gem. Ziff.
5.2.1 und Abbildung 19 (Modell 'Hollnack') ...109
Anhang A- 18: Übersichtskarte der Bohr- und Aufschlusspunkte...110
Anhang A- 19: Struktur der Datenbank 'Hangrutschungen'...111
Anhang A- 20: Struktur der Datenbank 'Erdbeben in Deutschland'...112
Anhang A- 21: Erläuterungen zum Erdbebenkatalog ...113
Anhang A- 22: Daten und Formeln für Berechnungen 'Newmark Displacement' ...118
Anhang A- 23: Berechnungen 'Newmark Displacement' lokal für m=0: ...119
Anhang A- 24: Berechnungen 'Newmark Displacement' lokal für m=0,5: ...121
Anhang A- 25: Berechnungen 'Newmark Displacement' lokal für m=1,0: ...123
Anhang A- 26: Berechnung Intensität nach Kövesligethy für drei repräsentative Erdbeben 125
Anhang A- 27: Intensität vs. Entfernung & Tiefe nach Kövesligethy, mit einem
Absorptionskoeffizient von 0,005 ...126
Anhang A- 28: Intensität vs. Entfernung & Tiefe nach Kövesligethy, mit einem
Absorptionskoeffizient von 0,001 ...127
Gliederung
- IV -
Anhang A- 29: Berechnung ARIAS - Intensität für drei repräsentative Erdbeben ...128
Anhang A- 30: min Mw vs. Tiefe und Entfernung mit ARIAS - Intensität = 0,1...129
Anhang A- 31: min Mw vs. Tiefe und Entfernung mit ARIAS - Intensität = 0,5...130
Anhang A- 32: min Mw vs. Tiefe und Entfernung mit ARIAS - Intensität = 0,9...131
Anhang A- 33: Einflussgebiet nach Keefer vs. Magnitude und verschiedenen Konstanten .132
Anhang A- 34: Gefährdungskarte 'Newmark Displacement' regional mit Ia=1,0 ...133
Anhang A- 35: Gefährdungskarte 'Newmark Displacement' regional mit Hangrutschungen133
Anhang A- 36: Substrateigenschaften ...134
Liste der Abkürzungen und Symbole
- V -
Liste der Abkürzungen und Symbole:
Kürzel Bezeichnung
Hangwinkel
Gewicht des Materials [kN/m³]
Reibungswinkel
f
Scherfestigkeit
A
Fläche, Bodenversatz, Druckkomponente als Kraftvektor am Hang
a
c
kritische Beschleunigung [g]
AD
Anno Domini
A
w
Auflagefläche
B
Zugkomponente als Kraftvektor am Hang
C
Bezeichnung für eine Konstante
c'
Kohäsion [kN/m³]
D
Epizentralentfernung
DEM
digitales Höhenmodell
DKKV
Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge e. V.
Dn
Newmark Displacement
E
Energie oder geographisch Ost
EMS98
europäische makroseismische Skala von 1998
F
Kraft
FOS
factor of safety
F
s
Scherkraft
g
Erdbeschleunigung
GOF
Geländeoberfläche
h
Herdtiefe
I
Intensität
Ia
ARIAS - Intensität [m/s]
Io
Intensität am Epizentrum
k. A.
keine Angabe
L
Länge der Rutschfläche
log
10
er
Logarithmus
M
Magnitude (allgemein)
m
Verhältnis wassergesättigt- / Gesamt-Schichtmächtigkeit
ME + Ziffer
Nr. einer Bohrung im Melbtal
Ml
Lokale Magnitude / im Epizentrum (z. B. Richter)
Mo
seismische Moment - Magnitude
MSK
Mercalli - Sieberg - Skala
Mw
Moment - Magnitude
N
geographisch Nord
NRW
Nordrhein - Westfalen
PGA
peak ground acceleration
R
Hypozentralentfernung oder Epizentralentfernung
S
geographisch Süd
T
Wellenperiode
t
Zeit
u
Porenwasserdruck
USGS
United States Geological Service
W
Gewicht oder geographisch West
W
m
Gewicht des Wassers
z
Mächtigkeit
Dichte
1. Einleitung und Fragestellung
- 1 -
1.
Einleitung und Fragestellung
Ein Erdbeben der Intensität VIII bzw. Magnitude 7,8 löste am höchsten Berg Perus
am 31.05.1970 in der Gipfelregion einen Felssturz aus, der sich kaskadenförmig
fortpflanzte und letztlich in einer gewaltigen Schlamm- und Schuttlawine endete, die
die Stadt Yungay und einige nahe gelegene Dörfer unter sich begrub. Der ganze
Vorgang dauerte nur 4 Minuten. Das Ausmaß ist aus Anhang A- 1 und dem Profil
aus Anhang A- 2 ersichtlich. Allein in Yungay gab es über 20.000 Tote. Insgesamt
betrug die Zahl der Toten dieses Erdbebens über 66.000 Tote (USGS 1978). Dies ist
eine der größten registrierten Katastrophen, die ein durch ein Erdbeben ausgelöste
Hangrutschung verursacht hat. Die Bewohner hätten vorgewarnt sein müssen, denn
bereits 1962 hatte eine ähnliche Rutschung die Siedlungen nur knapp verfehlt. Die
Gefahr wurde ignoriert.
Im Untersuchungsgebiet 'Bonner Raum' gibt es weder so hohe Berge, noch sind
nach den gegenwärtigen Prognosen in absehbarer Zukunft Erdbeben dieser Stärke
zu erwarten. Das Beispiel soll auf die möglichen Gefahren und die Zusammenhänge
zwischen Erdbeben und Hangrutschungen hinweisen. Auch kleinere Rutschungen
können in einem dicht besiedelten Gebiet wie dem um Bonn größere
volkswirtschaftliche Schäden anrichten. Allerdings werden auch hier Erdbeben und
Hangrutschungen von vielen Menschen meist erst dann als Gefahr wahrgenommen,
wenn sie 'Katastrophen' auslösen. Wegen der geringen Wiederkehrrate größerer
Ereignisse gehören diese in der Regel nicht zum Erfahrungsschatz der meisten
Menschen, kleinere Erdbeben oder Hangrutschungen werden oft nicht richtig
wahrgenommen und graben sich nicht in das Bewusstsein der Menschen ein.
Sowohl beim Deutschen Komitee für Katastrophenvorsorge (DKKV) als auch bei der
Münchener Rückversicherung konnte keine befriedigende Auskunft über diese
Probleme erhalten werden - sie werden für Westeuropa nicht als aktuelle Probleme
betrachtet (Plapp 2001), persönliche Kontakte 2003).
Als Folge der Akzeptanz der Theorie der Plattentektonik sollte es Allgemeingut sein,
dass die Erdoberfläche ständig in Bewegung ist. Vielen Menschen fällt es jedoch
schwer, in geologischen Zeiträumen zu denken und ein dynamisches Weltbild zu
akzeptieren. Die Niederrheinische Bucht ist geologisch gesehen gerade erst
eingebrochen, und es ist erstaunlich, dass die kleineren Erdbeben, die sich in dieser
Gegend wöchentlich ereignen, nur von Fachleuten registriert werden. Wie später
1. Einleitung und Fragestellung
- 2 -
noch ausgeführt werden wird, befindet sich das Untersuchungsgebiet durchaus in
einer neueren, seismisch aktiven Zone. Es ist also wieder eine Frage von Frequenz
und Magnitude der Ereignisse. In dieser Arbeit soll versucht werden, ob mit den zur
Zeit verfügbaren Mitteln und Methoden eine Verbindung zwischen den
Hangrutschungen im Melbtal in Bonn - Ippendorf, den Hängen des Venusberges und
Erdbeben der Region herzustellen ist.
Hierzu wird zuerst die lokale Ebene betrachtet. An Hand der Daten eines
ausgewählten Hanges im Melbtal bei Bonn soll die kritische Magnitude und
Beschleunigung ausgerechnet werden, die zur Bodenverflüssigung führen kann, in
der Annahme, das dadurch Hangrutschungen ausgelöst werden können. Als zweite
Methode wird mit den Daten des ausgewählten Hanges nach der Methode 'Newmark
Displacement' gerechnet. Mit den so gewonnenen Daten wird dann mit
verschiedenen Modellen auf der regionalen Ebene nach Erdbeben in der Region
gesucht, die noch mit einer Magnitude und Beschleunigung, die auf der lokalen
Ebene errechnet wurden, Bonn erreichen können. Die vorhandenen Modelle für die
Ausbreitung von Erdbeben rechnen allerdings mit abnehmender Intensität bzw.
Magnitude vom Erdbeben mit der Entfernung. Modelle oder Programme für die
umgekehrte Betrachtungsweise, also ausgehend vom Bereich Bonn mit Zunahme
der Intensität bzw. Magnitude und Beschleunigung mit der Entfernung gibt es nicht,
so dass mit den ausgewählten Modellen 'rückwärts' gerechnet wurde. die Ergebnisse
wurden dann mit einer zu erstellenden Datenbank verglichen, um festzustellen, ob in
der Region entsprechend starke Erdbeben aufgetreten sind. Mit für die Region
generalisierten Daten werden zusätzlich noch mit der Methode 'Newmark
Displacement' kritische Werte für Hangwinkel, kritische Beschleunigung, ARIAS -
Intensität und dem Sicherheitsfaktor für die Hangstabilität ('Factor of Safety' = FOS)
berechnet und für das Untersuchungsgebiet 'Bonner Raum' in einer Karte dargestellt.
Als letzter Schritt werden die Erdbebendaten mit denen einer zu erstellenden
Hangrutschungsdatenbank verglichen. Damit soll herausgefunden werden, ob eine
direkte Korrelation zwischen den Daten der Hangrutschungen, sofern diese
überhaupt genügend präzise notiert wurden, und dem Zeitpunkt eines Erdbebens
hergestellt werden kann.
1. Einleitung und Fragestellung
- 3 -
Abbildung 1: Aufbau der Diplomarbeit
Geologie
Stratigraphie
Substrateigenschaften /
Bodeneigenschaften
Erdbebeneigenschaften
der Region
Hangrutschungs - DB
Erdbeben - DB
lokal:
Berechnung an einem ausgewählten Hang:
- FOS vs. Magnitude & Beschleunigung
- 'Newmark Displacement' lokal
regional:
Berechnungen mit mehreren Modellen:
- Berechnung 'rückwärts' vom Hang zum
Erdbeben mit Entfernung & Stärke
- 'Newmark Displacement' generalisiert
Suche nach kritischen Erdbeben
pro
Entfernung und Stärke
Vergleich der Ergebnisse
Korrelation der Datenbanken nach
Zeitpunkt
2. Definitionen
- 4 -
2. Definitionen
2.1. Hangrutschung
Turner (1996) definiert 'landslide' wie folgt: 'A movement of a mass of rock, debris or
earth down the slope'. Frei übersetzt könnte man eine Hangrutschung als 'gravitative
Bewegung von Fels, Schutt oder Boden' bezeichnen. Über Ursachen oder Auslöser
(trigger) ist damit noch nichts ausgesagt. Ebenso werden Gletscherbewegungen,
Schnee- und Eis-Lawinen sowie jede Art von Bodensenkungen und Einbrüche von
unterirdischen Hohlräumen ausgeschlossen (Turner 1996). Papadopoulos (2000)
bezieht in Bezug auf Erdbeben laterale Bewegungen in seine Definition mit ein. Der
Begriff 'Hangrutschung' und der Begriff 'landslide' implizieren, dass es sich um eine
'Rutschung' handelt, so dass 'Fallen' und 'Kriechen' nicht mit eingeschlossen wären.
Dies wird aber nicht von allen Autoren so gesehen. Crozier (1986) schlägt deswegen
'slope failure' als übergeordneten Begriff vor. Weitere Begriffe sind 'mass movement'
oder 'mass waisting', je nach Autor werden unter diesen Begriffen auch
unterschiedliche Prozesse verstanden.
Für diese Arbeit soll die Definition von Turner gelten.
2.1.1. Hangrutschungen als geomorphologischer Prozess
Hangrutschungen sind ein Teil der natürlichen, geomorphologischen Prozesse, durch
die die Erdoberfläche gestaltet wurde und wird. Nach einem allgemein akzeptierten
Konzept ist die Natur immer bestrebt, einen Gleichgewichtszustand herzustellen, was
für die Geomorphologie bedeutet, dass dieser Zustand erst erreicht ist, wenn es
keine Höhenunterschiede mehr gibt.
Ohne Erosion wären auch die fruchtbaren Böden in den Tälern und Auen nicht
vorhanden. Der Begriff 'Erosion' beinhaltet allerdings auch den Transport, der in
dieser Arbeit nicht betrachtet wird. 'Denudation' beschreibt als Oberbegriff den
Prozess, der mit zu dem Modell 'Kreislauf der Gesteine' gehört (Crozier 1986),
Massentransport und Hangrutschungen sind nachgeordnete Untermengen. Aus
Abbildung 2 sind die einzelnen Ebenen und deren Zuordnung ersichtlich.
2. Definitionen
- 5 -
Quelle: (Crozier 1986)
Abbildung 2: Ein Vorschlag zur Gliederung denudativer Prozesse nach (Crozier 1986)
2.1.2. Typen von Hangrutschungen
Unter Hangrutschungen sind folgende Typen zu verstehen:
- Fallen, in Abbildung 3 (1)
- Kippen, in Abbildung 3 (2)
- Rotationsrutschung / Translationsrutschung, in Abbildung 3 (3)
- Gleiten, in Abbildung 3 (4)
- Fließen, in Abbildung 3 (5)
- Kriechen
(nach: (Crozier 1986; Goudie 1995; Dikau 1996; Summerfield 1997)
Viele Hangrutschungen lassen sich nicht einem speziellen Typ zuordnen, sondern
bestehen aus einer Kombination aus zwei oder mehreren Typen.
2. Definitionen
- 6 -
Quelle: (Dikau 1996)
Abbildung 3: Schematische Darstellung von Hangrutschungen
Die Ursachen für Instabilitäten können nach Crozier (1986) folgende interne und
externe Faktoren sein:
- Verhältnis Widerstand / Scherkräfte
- Bodenbeschaffenheit / Substrateigenschaften
- Gewicht bzw. Auflast
- Höhe des Hanges
2. Definitionen
- 7 -
- Winkel des Hanges
- Verwitterungszustand
- Vegetationsdichte
- Klüfte, Kluftwasser
- Porendichte, Porenwasserdruck
- Einfluss von Vibrationen
- genereller Wassergehalt / Art der Niederschläge
Quelle: zusammengefasst nach (Crozier 1986)
Dabei ist meistens nicht nur ein Faktor entscheidend, sondern immer das
Zusammenspiel verschiedener Faktoren. Dies ist nach Crozier (1986)aber nicht
immer einfach zu erkennen.
2.1.3. Auslöser für Hangrutschungen
Es wird in der Literatur zwischen Ursachen für Hangrutschungen und Auslöser
unterschieden. Unter diesem Punkt werden die Auslöser von Hangrutschungen
behandelt. Vorhandene Instabilitäten benötigen eines Auslösers, also einer
Änderung eines bestehenden Zustandes, damit sie zu einer Rutschung führen.
Im Folgenden werden nur die grundlegenden Ansätze der Bodenmechanik erläutert,
die für die Untersuchungen dieser Arbeit notwendig sind. Eine komplette Übersicht
würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen.
Auf die Partikel eines Hanges wirken die in Abbildung 4 dargestellten Kräfte ein:
Quelle: (Hendl 1997; Vitiello 2003)
Abbildung 4: Kräfte, die auf ein Partikel an einem Hang einwirken
A: Druckkomponente
B: Zugkomponente
P: Erdanziehung / Schwerkraft
2. Definitionen
- 8 -
Bei einer ebenen Fläche wirkt nur die Kraft '
P
', die sich aus der Masse des Partikels
mal der Erdbeschleunigung zusammensetzt. Bei einer geneigten Fläche teilt sich
diese Kraft in zwei Komponenten auf, eine Kraft '
A
', die senkrecht zur (schiefen)
Oberfläche wirkt und eine Kraft '
B
', die parallel zur Oberfläche wirkt. '
B
' wird analog
zum Hangwinkel größer, '
A
' entsprechend kleiner. Jede Kraft erzeugt eine
Gegenkraft. Sind alle Kräfte gleich groß, findet keine Bewegung statt. Die Kraft '
B
'
und die Gegenkraft sind in Abbildung 5 mit 'a' bezeichnet. Sind die Kraft '
A
' in
Abbildung 4 und deren Gegenkraft gleich groß, sinkt das Partikel nicht in den Boden
ein. Eine Verringerung der Gegenkraft zu '
A
' z. B. durch Änderung der
Substrateigenschaften, z. B. durch Änderung des Wassergehaltes, kann zum
Einsinken des Partikels führen. Die Reibung zwischen den Partikeln wirkt der Kraft 'B'
entgegen. Diese intern wirkenden Spannungen und Widerstände werden als
Scherspannung [kN/m²] bezeichnet. die minimalste Scherspannung, bei der der
Boden seine Festigkeit verliert, ist das Grenzgleichgewicht und wird als
Scherfestigkeit (
f
) bezeichnet (Selby 1993; Kramer 1996; Lang 1996). Übertragen
auf eine schiefe Ebene bedeutet dies, dass z. B: ein Boden bei zunehmender
Neigung der schiefen Ebene seine Festigkeit zum Zeitpunkt des Erreichens des
Grenzgleichgewichtes verliert. Der dann erreichte Winkel wird als Reibungswinkel (
)
bezeichnet.
Die Scherfestigkeit kann unter Berücksichtigung der Reibung und Kohäsion (c') wie
folgt beschrieben werden:
'
tan
'
'
f
+
=
c
( 01 )
Legende:
f
: Scherfestigkeit [kN/m²]
c'
: effektive Kohäsion [kN/m²]
'
: effektive Spannung [kN/m²]
'
: effektiver Reibungswinkel [°]
Damit ist die Scherfestigkeit direkt abhängig von der Kohäsion, der effektiven
Spannung und dem effektiven Reibungswinkel.
Kohäsion und Reibungswinkel werden von Lang (1996) als 'Materialeigenschaften
des Bodens' bezeichnet, sie beeinflussen die Scherspannung des Bodens und
reichen für eine Berechnung aus. Sie wirken einer Scherbewegung eines Bodens
entgegen. Es findet keine Bewegung statt, wenn gem. Abbildung 4 A
B ist. Eine
2. Definitionen
- 9 -
zusätzliche Kraft in Richtung des Vektors 'B' führt zu einer Störung und zum
Rutschen. Der Fall, dass die zusätzliche Kraft dem Vektor 'B' entgegen wirkt, wird
hier nicht weiter betrachtet, weil er für die Untersuchungen dieser Arbeit unerheblich
ist (Kramer 1996).
Eine Störung des Gleichgewichtzustandes kann z. B. durch Änderung der
Hangneigung, des Gewichtes z. B. durch Änderung des Wassergehaltes oder durch
eine vertikale Bewegung, die durch die Wellenbewegungen eines Erdbebens
ausgelöst werden, eintreten (Zhuping 1991). Es fehlen genauere Untersuchungen
über den Einfluss der verschiedenen Erdbebenwellenarten auf die verschiedenen
Substrate, sowohl auf deren Partikel als auch auf die Schichten insgesamt, z. B.
durch Resonanzschwingungen (Bell 1991; Konstantinov 1991). Einen 100% stabilen
Hang gibt es nach Crozier (1986) nicht, der Zusammenhang von Frequenz und
Magnitude bestimmt, ob ein Hang stabil bleibt oder nicht. Das, was berechnet
werden kann, ist die Wahrscheinlichkeit einer Hangbewegung, der 'Probablity of
failure' (Crozier 1986). Ob und wann dieser Fall eintritt, bleibt ungewiss, ist jedenfalls
nicht exakt berechenbar. Außerdem spielen für die Beurteilung und Wahrnehmung
der Gefahr, die durch eine Hangrutschung ausgehen kann, noch weitere Faktoren
eine Rolle. So hat z. B. eine Hangrutschung in einem Brachland eine andere Qualität
als eine mögliche Hangrutschung in einem dicht besiedelten Gebiet.
Das Gleichgewicht eines Hanges kann auch durch das Verhältnis der
Widerstandskräfte zu den störenden Kräften bzw. der Scherfestigkeit zur
Scherspannung beschrieben werden. Dieses Verhältnis wird als Sicherheitsfaktor
('Factor of Safety' = FOS) bezeichnet (Crozier 1986). Nach Kramer (1996) kann
dieser Faktor in einer sehr vereinfachten Form und ohne Berücksichtigung der
Kohäsion und gemäß den Darstellungen in der Abbildung 4 und Abbildung 5 gemäß
Gleichung ( 02 ) definiert und berechnet werden:
tan
tan
=
=
Bc
a
FOS
( 02 )
Quelle: Eigene Formulierung nach (Kramer 1996)
Legende:
a
: Widerstandskräfte gem. Abbildung 5
Bc
: treibende Kraft gem. Abbildung 5
: Hangwinkel [°]
: Reibungswinkel [°]
2. Definitionen
- 10 -
In dieser Gleichung ist die Widerstandskraft vom Reibungswinkel und die treibende
Kraft vom Hangwinkel direkt abhängig, Änderungen der Substrateigenschaften durch
äußere Einflüsse werden nicht berücksichtigt, es handelt sich also um eine statische
Betrachtung (statischer FOS). Mit dieser Formel werden die internen Eigenschaften
nicht berücksichtigt, die aber für die Stabilität ebenfalls entscheidend sind. Unter
Berücksichtigung der Substrateigenschaften ändert sich die Formel wie folgt:
s
m
F
W
F
c
FOS
tan
*
))
(
'
(
-
+
=
( 03 )
Quelle: Eigene Definition nach Crozier
Legende:
c' : Kohäsion [kN/m²]
F : Kraft, die auf den Hang wirkt (normaler Druck) [kN/m²]
F
s
: Scherkraft [kN/m²]
W
m
: Gewicht des Wassers [kN/m³]
: Reibungswinkel [°]
Die Kraft 'F', die auf den Hang wirkt, kann wie folgt berechnet werden:
cos
*
)
(
w
A
W
F
=
( 04 )
Quelle: eigene Definition nach Crozier (1986)
Legende:
F : Kraft, die auf den Hang wirkt (normaler Druck) [kN/m²]
W : Gewicht [kN/m³]
A
w
: Auflagefläche [m²]
: Hangwinkel [°]
Die Scherkraft kann wie folgt berechnet werden:
sin
*
w
s
A
W
F
=
( 05 )
Quelle: eigene Definition nach Crozier (1986)
Legende:
F
s
: Scherkraft [kN/m²]
W : Gewicht [kN/m³]
A
w
: Auflagefläche [m²]
: Hangwinkel [°]
Die Widerstandskräfte (effektive Kohäsion =
c'
) werden von Crozier durch die
Coulomb - Mohr - Gleichung beschrieben, mit den Parametern des Materials, aus
dem der Hang besteht und die interne Reibung (
). Das Gewicht des Materials (
W
),
2. Definitionen
- 11 -
welches unter Berücksichtigung eines Zeitraumes nicht als Konstante betrachtet
werden kann, weil es sich z. B. mit dem Wassergehalt (
W
m
) ständig ändert, setzt sich
aus den Materialeigenschaften und der Erdanziehung zusammen und bewirkt gem.
Abbildung 4 zwei Kräfte: Eine die senkrecht zum Hang wirkt (
A
) und eine parallel
zum Hang bzw. Hangneigung (
B
).
Es kann aber auch kohäsionslose Hänge geben, z. B. ein bei einem Hang aus gut
gedraintem Sandstein (Crozier 1986). Das Verhältnis Scherfestigkeit /
Scherspannung wird dann in einer Näherung nur vom Hangwinkel bestimmt, das
Gewicht spielt dann keine Rolle mehr (vergl. Formel 2).
Der oben beschriebene Ansatz wird in der Literatur als 'pseudostatischer Ansatz'
bezeichnet. Er ist nach Anderson (1992) auch deswegen populär, weil z. B. die
Bodeneigenschaften im Labor gemessen werden können. Allerdings wird im Grunde
genommen nur die Berechnung für einen Punkt vorgenommen, nämlich den, für den
die ermittelten Werte gelten, und dann für den Rest des Hanges verallgemeinert. Bei
homogenem Untergrund liefert diese Methode sicher gute Ergebnisse, bei
heterogenem Untergrund, wie z. B. im Bonner Raum, können mit dieser Methode nur
Richtwerte oder ein allgemeiner Trend ermittelt werden.
Die Kräfte, die auf einen Hang einwirken, hat Newmark (1965) mit seinem Modell des
'sliding block' abgeleitet, wobei Newmark damit ein statisches Modell beschreibt, bei
dem sich weder die Blockeigenschaften (z. B. Substrateigenschaften oder Höhe des
Blocks) noch die des planen Untergrundes verändern:
Quelle: (Newmark 1965)
Legende:
a : Widerstandskraft gem. Abbildung 4
Bc : zusätzliche treibende Kraft
: Hangwinkel [°]
Abbildung 5: Newmark's 'sliding block'
2. Definitionen
- 12 -
Eine zusätzliche treibende Kraft bewirkt eine Störung des Ruhezustandes, der Wert
des FOS wird < 1 und eine Rutschung ist möglich (
vergl.
Gleichung ( 2 und 6 )
)
:
1
<=
=
Bc
a
FOS
( 06 )
Quelle: eigene Definition
Legende:
a : Widerstandskraft gem. Abbildung 4
Bc : zusätzliche treibende Kraft
Wie Cornforth (Bell 1991; Cornforth 1991) durch Analyse einiger Hangrutschungen
feststellte, kann der Wert für ein Hangversagen bei einer statischen Berechnung
durchaus zwischen 1,2 und 0,8 schwanken, bei dynamischen Einflüssen wie
Niederschlag oder Erdbeben wahrscheinlich noch mehr. Da diese Gleichungen nur
eine minimale Anzahl von Parametern berücksichtigen, liefern sie nur
Annäherungswerte. Eine genauere Berechnung bedeutete eine Vielzahl von weiteren
Parametern, die berücksichtigt werden müssten, womit die Gleichungen schnell
unübersichtlich und schlecht handhabbar würden. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die
Tatsache, dass viele dieser Parameter für die jeweiligen Untersuchungsgebiete nicht
vorliegen. Um dann trotzdem damit rechnen zu können, müssten wiederum
Annahmen getroffen werden oder die Werte geschätzt werden, sofern man eine
Ahnung ihrer jeweiligen Größe hätte, was automatisch zu Unsicherheiten führen
würde. Sofern die errechneten Werte annähernd empirisch belegt werden können,
können diese vereinfachten Formeln verwendet werden, um nicht eine Genauigkeit
vorzutäuschen, die die Eingabewerte nicht hergeben.
Als auslösende Faktoren für Hangrutschungen können zusammengefasst werden:
- Tektonik (Plattentektonik, Faltung, Epirogenese, Vulkanismus)
- Niederschläge (Frequenz & Magnitude)
- Flusserosion (Unterschneidung)
Quelle: zusammengefasst nach (Crozier 1986; Rebscher 1996)
Für diese Arbeit ist nur der erste Punkt entscheidend, obwohl die anderen Faktoren
für das Problem der Auslösung einer Hangrutschung ebenfalls eine Rolle spielen.
Eine interessante Aufgabe wäre, die Gewichtung der einzelnen Punkte
2. Definitionen
- 13 -
gegeneinander vorzunehmen. Für das Melbtal hat Rebscher (1996) Untersuchungen
zur Hangneigung und Vegetationsbedeckung, hauptsächlich unter dem
Gesichtspunkt des Wasserhaushaltes, vorgenommen. Eine Gewichtung mit den
anderen Punkten wurde nicht vorgenommen.
Auf Grund empirischer Untersuchungen hat Keefer (1984) Hangrutschungen
identifiziert, die durch ein Erdbeben ausgelöst werden können. Er hat dabei
Abhängigkeiten von den Substrateigenschaften, der Art der Bewegung, der
Geschwindigkeit, der Tiefe und des Wassergehaltes festgestellt. Dies ist in verkürzter
Form in Anhang A- 3 dargestellt.
Keefer (1984) hat durch empirische Untersuchungen die Minimum - Stärke eines
Erdbebens ermittelt, die eine Hangrutschung auslösen kann. Für die einzelnen
Hangrutschungstypen sind diese in Tabelle 1 zusammengefasst:
Tabelle 1: Geringste Erdbebenstärke für die Auslösung von Hangrutschungen
Ml
Type of Landslide
4,0
Rock falls, rock slides, soil falls, disrupted soil slides
4,5
Soil slumps, soil block slides
5,0
Rock slumps, rock block slides, slow earth flows, soil lateral spreads, rapid soil flows
6,0
Rock avalanches
6,5
Soil avalanches
Quelle: (Keefer 1984; Kramer 1996), verändert
Diese Liste darf nicht absolut genommen werden, da für einen an sich instabilen
Hang schon ein kurzes und schwächeres Erdbeben ausreichen kann, um ihn in
Bewegung zu setzen (Hays 1981; Kramer 1996; Castaldini 2002). Außerdem muss
die Entfernung zum Hypozentrum berücksichtigt werden, da eine Abhängigkeit von
der Entfernung zum Epizentrum und von der Herdtiefe besteht. Keefer (1984) hat
durch empirische Untersuchungen eine maximale Entfernung von 15 km für die
Auslösung einer Hangrutschung durch ein Erdbeben der Magnitude 5 und für eine
Magnitude von 7 bis zu 200 km errechnet. Wie weit diese Ergebnisse aus dem
Westen der USA auf andere Regionen und andere Boden- und Klimaverhältnisse
übertragbar sind, wird noch diskutiert werden.
Ebenfalls durch empirische Untersuchungen haben Keefer (1984) und Hays (1981)
die Häufigkeit der einzelnen Typen von Hangrutschungen untersucht, die durch
Erdbeben ausgelöst werden können. Diese sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
2. Definitionen
- 14 -
Tabelle 2: Relative Häufigkeit der Typen von Hangrutschungen
Abundance
Type of Landslide (Magnitude 5.2 - 9.5, Minimum Intensität: VI )
Very abundant
Rock falls, disrupted soil slides, rock slides
Abundant
Soil lateral spreads, soil slumps, soil block slides, soil avalanches
Moderately common
soil falls, rapid soil flows, rock slumps
Uncommon
slow earth flows, rock block slides, rock avalanches
Quelle: (Hays 1981; Keefer 1984; Kramer 1996), verändert
Romeo (1996) hat für Mittel- und Süditalien eine Datenbank für Hangrutschungen,
die durch Erdbeben ausgelöst wurden, erstellt. Bei der Auswertung kam er zwar
auch zu der in Tabelle 1 aufgeführten Einteilung, stellte aber fest, dass in
historischen Quellen fast nur die Felsstürze aufgeführt waren, aber selten andere
Arten von gravitativen Massenbewegungen in Verbindung mit einem Erdbeben. Noch
schwieriger wird die Analyse, wenn auch noch die 'post-seismischen' Bewegungen
mit einbezogen werden sollen. Ein weiteres Problem, welches noch nicht weiter
untersucht wurde und wegen der Schwierigkeit der Datenbeschaffung eine Lösung
sicher auch noch längerer Zeit bedarf, ist die Tatsache, dass jede Erschütterung eine
Bewegung der Bodenpartikel zueinander verursacht (Keefer 1984; Anderson 1992;
Kramer 1996; Lang 1996; Yeats 1997). Ob diese Verlagerung nur vorübergehend ist
oder permanent, oder nur teilweise wieder rückgängig gemacht wird, hängt von der
Art, Stärke und Dauer der Erschütterung ab. Dies bedeutet für Erdbeben, dass die
Häufigkeit und Stärke ebenfalls einen Einfluss auf die Substrateigenschaften ausübt,
jedes Erdbeben hinterlässt demnach in seinem Einflussgebiet Spuren. Dieser
'dynamische' Ansatz würde dann nicht auf der Basis eines Grenzgleichgewichtes
berechnet wie nach der 'pseudostatischen Methode', sondern mit der 'finite element' -
Methode mit Eingabeparameter wie der Beschleunigungen, der Scherkräfte und
Dämpfungsfaktoren. Durch die Konstruktion der Methode ist es möglich, Werte
punktförmig für einen ganzen Hang zu berechnen. Wegen der Kompliziertheit ist
diese Methode z. Zt. nur für Laborversuche und Forschung geeignet, für die Praxis
ist sie bislang nicht weiter verfolgt worden (Anderson 1992).
2.2.
Erdbeben
Als Erdbeben werden natürliche Erschütterungen, beziehungsweise Schwingungen
des Untergrundes beziehungsweise der festen Erde bezeichnet (Jung 1953; Richter
1992; Press 1995; Fowler 1997).
2. Definitionen
- 15 -
Der Bebenherd ist der Bereich der Initialbewegung an der Störung und ist häufig die
gesamte Verschiebungsfläche, wird aber für viele Berechnungen als punktartig
angenommen (Richter 1992; Press 1995; Schick 1997), für manche Modelle wird die
kürzeste Entfernung vom Standort zur Verschiebungsfläche zu Grunde gelegt. Beide
Methoden sind ungenau und werden nur mangels präziserer Daten benutzt. Der
Bebenherd in der Tiefe wird als Hypozentrum bezeichnet, die Projektion des
Hypozentrums an die Erdoberfläche als Epizentrum. Der Abstand des Bebenherdes
von der Erdoberfläche ist die Herdtiefe (Jung 1953; Schick 1997). Hypozentrum,
Epizentrum und Herdtiefe lassen sich durch den Vergleich der Laufzeitunterschiede
der verschiedenen Erdbebenwellen von mindestens drei Messstationen ermitteln.
Quelle: Eigener Entwurf
Abbildung 6: Schematische Darstellung der Bedeutung verwendeter Begriffe
Ebenso lässt sich die Stärke eines Bebens nur durch einen solchen Vergleich
ermitteln, da sich in der Regel keine Messstation bzw. Messgeräte direkt am
Epizentrum befindet (Schneider 1975; USGS 2003), und wenn dies zufällig doch
einmal zutraf, konnten sie nicht ausgewertet werden, da die Erdstöße die
empfindlichen Messgeräte zerstört hatten.
Herdtiefe
Hypozentrum
GOF
Epizentrum
Störung
Störung
Beobachter
Epizentralentfernung (km)
Herdzeit
2. Definitionen
- 16 -
Richter wollte die subjektive Einschätzung oder unsichere Ergebnisse durch zufällige
Beobachtungen umgehen, indem er quantitativ nur drei Klassifizierungen für
Erdbeben zulassen wollte (Yeats 1997):
- schwache, lokale Erdbeben
-
mittlere Erdbeben
-
starke Erdbeben
Eine Zuordnung zu Intensitäts- oder Magnitudenwerte hat er bewusst nicht
vorgenommen.
Für die Klassifizierung von Erdbeben nach der Tiefe gilt folgende Unterscheidung:
Tabelle 3: Klassifizierung nach Herdtiefen
Bezeichnung Herdtiefe
[km]
flache Erdbeben
0 - 70
mittlere Erdbeben
70 - 300
tiefe Erdbeben
300 - 700
Quelle: (Richter 1992; Bahlburg 1998)
Für die Klassifizierung von Erdbeben nach der Entfernung zum Beobachter gelten
folgende Unterscheidungen:
Tabelle 4: Klassifizierung nach Entfernung
Bezeichnung Entfernung
[km]
Ortsbeben
0 - 25
Nahbeben
0 - 1000
Fernbeben
> 1000
Quelle: (Jung 1953)
Für die Bestimmung der Stärke eines Bebens gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine
wesentliche Unterscheidung ist die Bestimmung an Hand von Messwerten
(Magnitude) oder an Hand der makroseismischen Auswirkungen (Intensität). Bei
der letzteren Möglichkeit besteht die Gefahr, dass subjektive Elemente in die
Beurteilung mit einfließen (Schick 1997). Die von Mercalli 1902 entworfene Skala
wurde immer wieder angepasst, hauptsächlich die höheren Werte der Skala wegen
der sich ändernden Bauweisen und -technik. Dies deutet schon auf eine starke
Ausrichtung der Bewertungsskala auf die Infrastruktur hin, weniger auf Vorgänge in
der Natur, wie z. B. Hangrutschungen. Die heute weitgehend gebräuchliche Skala ist
die 'Modifizierte Mercalli-Scala' mit der Unterteilung von I (kaum fühlbar) bis XII
2. Definitionen
- 17 -
(totale Zerstörung). Sie ist also eine Mischung aus Fühlbarkeit (Werte zwischen I und
VI) und Zerstörungsgrad der Infrastruktur (VI - XII) (Schick 1997; USGS 2002;
Leydecker 2003), weitere Skalen sind die in Deutschland gebräuchliche Mercalli -
Sieberg - Skala (MSK) und die Europäische makroseismische Skala von 1998 (EMS-
98). Unter dem Kürzel 'MSK' gibt es noch weitere Skalen in anderen Ländern (z. B.
Medvedev - Sponheuer - Karnik), die sich aber nicht wesentlich unterscheiden. Die
andere Methode ist die Verwendung von Messgeräten (Seismometer), hier wird in
der Regel die Skala von Richter verwendet (Jung 1953; Fowler 1997; USGS 2002).
Diese wird meistens mit 'Ml' bezeichnet für 'lokale Magnitude', womit die Magnitude
im Epizentrum gemeint ist (Yeats 1997; Bahlburg 1998). Richter entwickelte diese
Skala 1935 in Kalifornien mit einem Wood-Anderson-Seismographen für eine
Entfernung von 100 km vom Epizentrum. Die Werte errechnete er durch den
Vergleich mit empirischen Daten. Richter sprach bewusst von 'Stärke' eines
Erdbebens und nicht von freigesetzter Energie, da ihm bewusst war, dass sich
Erdbebenwellen z. B. wegen unterschiedlicher Zusammensetzung des Untergrundes
nicht in alle Richtungen gleich stark verbreiten und damit Messfehler wahrscheinlich
sind (Yeats 1997). Da in der Regel die Daten für die Zusammensetzung des
Untergrundes fehlen, kann die Wellenausbreitung auch nicht genau berechnet
werden. Tabellen der Skalen und ein Vergleich der Skalen befinden sind im Anhang
(Anhang A- 4 und Anhang A- 5). Zur Errechnung der Magnitude (M) kann folgende
Formel benutzt werden:
( )
x
c
h
D
T
A
M
+
+
=
,
log
( 07 )
Quelle: Eigene Definition nach (Kramer 1996; Yeats 1997)
Legende:
A : Bodenversatz [m]
T : Wellenperiode [Hz]
D : Epizentralentfernung [m]
h : Herdtiefe [m]
C
x
: Konstanten
Die Magnitude M ist demnach eine Funktion des Bodenversatzes (
A
) geteilt durch
die Wellen-Periode (
T
), der Entfernung zum Epizentrum (
D
) und der Herdtiefe (
h
).
Die Konstanten (c
x
) dienen zur Korrektur für die unterschiedlichen Bodenverhältnisse
und der verwendeten Geräte. Je höher der Bodenversatz, desto größer ist die
2. Definitionen
- 18 -
Magnitude, je größer die Wellenperiode, desto kleiner wird die Magnitude. Je weiter
das Beben vom Beobachtungsstandort entfernt ist, desto größer muss die Magnitude
im Herd sein, damit die am Beobachtungsort gemessene Magnitude erreicht werden
kann.
Die von Richter für Kalifornien entwickelte Methode eignet sich nur für flache Beben
und bis zu einer Entfernung von 600 km, bei größeren Entfernungen wird die
Methode ungenau (Schick 1997; Bolt 1999).
Die freigesetzte seismische bzw. kinetische Energie (
E
) berechnete Richter mit der
Formel:
8
,
4
5
.
1
log
+
=
M
E
( 08 )
Quelle: (Schick 1997)
Legende:
E
: Energie [Nm]
M : Magnitude
'
E
' wird in Joule gemessen, die Formel gilt für Beben in der oberen Erdkruste und nur
für Beben bis 1000 km Entfernung (Schick 1997). Die freigesetzte Energie wächst
mit dem Wert der Magnitude, die Konstanten dienen zur Anpassung an die örtlichen
Verhältnisse und werden empirisch gewonnen.
Eine andere Skala ist die 'Moment Magnitude' (Mw), mit der die einwirkende Kraft
bezeichnet wird, und zwar nicht punktförmig, sondern es wird das gesamte
Bruchgebiet einschließlich des Bereiches der Vor- und Nachbeben mit einbezogen.
Sie wird hauptsächlich für die stärkeren Beben benutzt, für die die Richter - Skala
nicht so gut geeignet ist, da diese von einer punktförmigen Quelle ausgeht und nicht
von einer größeren Fläche. Der Hauptunterschied ist, dass mit dieser Methode der
Hebelarm mit einbezogen wird, der rechtwinklig zur Richtung der gemessenen Kräfte
wirkt, berechnet in Kraft mal Entfernung (Yeats 1997). Die Formel zur Berechnung
lautet:
0
.
6
log
3
2
0
-
=
M
M
w
( 09 )
Quelle: (Yeats 1997)
Legende:
M
w
: Moment Magnitude
M
0
: seismic moment
2. Definitionen
- 19 -
M
0
bezeichnet die Energie, die vom gesamten Bruchsystem ausgestrahlt wird und
wird als 'seismic moment' bezeichnet, die Einheit ist [Nm]. Sie errechnet sich aus:
A
L
F
M
s
=
0
(
010
)
Quelle: (Yeats 1997), verändert
Legende:
M
0
: seismic moment [Nm]
F
s
: Scherkraft [kN/m²]
L
: Länge der Reibungsfläche [m]
A
: Ursprungs-Gebiet des Bebens [m²]
Das 'seismic moment' (M
0
) verhält sich also proportional zur Scherkraft, Länge und
Fläche des Ursprungsgebietes des Bebens (Yeats 1997). Je größer deren Werte
werden, desto größer ist auch die Magnitude. Für Erdbeben mittlerer Stärke
unterscheiden sich die verschiedenen Magnitudenwerte nicht wesentlich (Trifunac
1989). Eine Methode zur Umrechnung der Intensität in Magnitude für Erdbeben der
Stärke, wie sie in der Niederrheinischen Bucht auftreten, ist von Hinzen (2001) an
Hand einiger Test-Erdbeben vorgestellt worden, sie muss aber noch weiter verifiziert
werden. Für stärke Beben wird heute meist die 'Moment Magnitude (Mw)' verwendet,
für schwächere Beben nach wie vor die Richter - Magnitude 'lokale Magnitude (Ml)'.
Die Beziehung von der Anzahl der Erdbeben weltweit zu der von den jeweiligen
Erdbeben freigesetzten Energie ist in einer Übersicht in Anhang A- 7 dargestellt.
2.2.1. Entstehung von Erdbeben
Erdbeben entstehen in der Regel durch tektonische Bewegungen in der Erdkruste
und im Mantel (90%), 7% haben einen vulkanischen Ursprung (vulkanische Beben),
der Rest entsteht durch Einstürze von unterirdischen Hohlräumen (Einsturzbeben)
(Richter 1992). Unter tektonischen Bewegungen werden Verschiebungen (lateral,
vertikal, Auf- wie Abschiebung) verstanden, weniger Faltungen (Richter 1992). Tritt
an der Reibungsfläche eine Blockade auf, wird die Spannung an dieser Stelle bis zur
Überwindung der Scherfestigkeit erhöht (Scherbruch-Hypothese). Dabei bleibt das
Gestein nicht starr, sondern reagiert je nach Gesteinsart mehr oder weniger
elastisch. Der plötzliche Abbau der Spannung durch den Bruch löst je nach
freiwerdender Energie die Erdbebenwellen aus, die auch als seismische Wellen
bezeichnet werden. Beim Zurückfedern nach der Druckentlastung bleibt eine
Restverformung zurück, dies wird als 'elastic rebound' bezeichnet (Abbildung 7). Das
2. Definitionen
- 20 -
Gestein verhält sich demnach nicht linear, sondern es verhält sich plastisch. Geht
man davon aus, dass sich eine Verschiebung kontinuierlich und mit gleich bleibender
Geschwindigkeit bewegt, kann eine Wiederkehrrate von Erdbeben errechnet werden.
Für Gebiete, in denen dies zutrifft, ist dies sicher statthaft. Da die wissenschaftliche
Beobachtung von Erdbeben jedoch kaum 100 Jahre alt ist, fehlen zuverlässige Daten
für den für diese Aufgabe notwendigen Zeitraum. Wie das Erdbeben von Bam im Iran
am 26.12.2003 gezeigt hat, fehlten auch hier die Daten um beurteilen zu können, ob
es sich in diesem Gebiet um eine 'seismische Lücke' handelt, in der trotz der
äußeren Ruhe über 2000 Jahre die Spannung an der Störungsfläche weiter
aufgebaut wurde, oder ob das Gestein an der Störungsfläche so zerrüttet ist, dass
sich keine Spannung aufbauen kann. Wie sich gezeigt hat, lag der erste Fall vor.
Der Bebenherd ist der Bereich, an dem der Bruch stattfindet. Selten ist dies aber nur
ein Punkt, sondern ein Bruch ist oft der Auslöser für weitere Brüche, so dass
eigentlich die gesamte Verschiebungsfläche betrachtet werden müsste. Für neuere
Berechnungsmethoden wird der Bereich betrachtet, der von den dem Hauptbeben
zurechenbaren Vor- und Nachbeben betroffen ist. Für die Berechnung von Stärke
und Lokalität von Erdbeben ist man bislang aber darauf angewiesen, den Herd
jeweils als Punkt zu betrachten (Richter 1992; Press 1995). Erst neuere Modelle
betrachten eine Fläche. Darauf wird später noch bei der Definition der Magnitude
eingegangen werden. Die Verschiebungsfläche ist also selten eine glatte Fläche,
sondern uneben, an der es zu Verhakungen kommt, an denen die Spannung
aufgebaut wird, die sich bei Überschreiten der Scherfestigkeit ruckartig entlädt. Diese
Rauhigkeit bewirkt weitere Blockaden, die eventuell von der Initialbewegung gelöst
werden, so dass es zu Vor-, Haupt- und Nach-Beben entlang der Störungsfläche
kommt (Abbildung 8). Das jeweils stärkste Beben ist das Hauptbeben, dieses muss
nicht immer das erste Beben sein.
2. Definitionen
- 21 -
Quelle: (USGS 2002)
Abbildung 7: Schema Scherbruch
t1 = Zeitpunkt erstes Beben / Hauptbeben, t2 = Zeitpunkt Folgebeben / Nachbeben
Quelle: Eigener Entwurf
Abbildung 8: Schema Haupt- / Nachbeben
2.2.2. Erdbeben in Deutschland
In Deutschland können folgende Arten von Erdbeben auftreten (Leydecker 2003):
- tektonische Beben (Bruch im Gestein durch Spannungen in der Erdkruste)
- Einsturzbeben (Einsturz natürlicher Höhlräume, z. B. in Karstgebieten. Sie sind
in ihren Auswirkungen lokal begrenzt, da keine seismischen Wellen erzeugt
werden)
- Gebirgsschläge (Einsturz von Grubenbauten / -hohlräumen in mindestens km²
Größe. Die Auswirkungen sind auf das direkt über dem Einsturz liegende
Gebiet beschränkt, kaum Fernwirkung, da wie beim Einsturzbeben die
2. Definitionen
- 22 -
Schadwirkung durch das Absenken der Erdoberfläche und nicht durch
seismische Wellen erzeugt wird.)
- seismische Ereignisse in Bergbaugebieten (Reaktion des Gebirges auf
bergmännische Aktivitäten)
- seismische Ereignisse in Gas / Ölfördergebieten (disruptive Verschiebungen
infolge der durch die Förderung ausgelösten Spannungsungleichgewichte im
Förderhorizont)
Die Verteilung der Erdbeben in Deutschland für den Zeitraum von 800 - 2002 AD ist
aus Anhang A- 8 ersichtlich. In dieser Karte sind die (makroseismischen) Intensitäten
der einzelnen tektonischen Erdbeben jeweils ihrer Stärke entsprechend mit einem
roten Kreis, die nichttektonischen Beben mit einem lila Dreieck eingezeichnet. Soweit
rekonstruierbar sind auch Erdbeben der Intensität
VI eingezeichnet, was, wie schon
ausgeführt, für Erdbeben vor der Einführung der Instrumentenmessungen
problematisch ist, sie geben keine Auskunft über die tatsächlich stattgefundenen
Anzahl der Beben dieser Stärke in historischer Zeit. Die Konzentration der Erdbeben
auf bestimmte Gebiete ist deutlich zu erkennen. Tektonische Beben konzentrieren
sich auf den Voralpenraum und die Schwäbische Alb, den Oberrheingraben, den
Mittelrhein und die Niederrheinische Bucht. Ein weiteres Erdbebengebiet ist das
Gebiet um das Vogtland und die Leipziger Bucht. Nichttektonische Beben
konzentrieren sich auf die Bergbaugebiete, die aber in dieser Arbeit nicht betrachtet
werden. Damit können alle tektonischen Erdbeben auch den tektonisch aktiven
Gebieten wie der Dehnungszone um den Rhein und die Faltungszonen am
nördlichen Alpenrand und nordöstlich des Fichtelgebirges zugeordnet werden.
In der Regel haben die in Deutschland und angrenzenden Gebieten stattfindenden
Erdebeben eine Stärke, die keine größeren Schäden anrichten. Ausnahmen sind in
Anhang A- 10 für den Zeitraum von 800 - 2002 AD dargestellt. In dieser Karte sind
die tektonischen Beben mit einer Intensität von I0
VI ½ entsprechend ihrer Stärke
mit einem roten Kreis eingezeichnet. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die
Schadensbeben im Gebiet der Niederrheinischen Bucht um den Rurgraben häufen.
Wie das Erdbeben von Roermond 1992 gezeigt hat, können Erdbeben dieser Stärke
auch noch in Bonn Schäden anrichten.
2. Definitionen
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2.2.3. Wellenausbreitung bei Erdbeben
Bei einem Erdbeben gibt es vier verschiedene Wellenarten: P-, S-, Raleigh- und
Love-Wellen, die letzten beiden werden manchmal auch unter 'seismische
Oberflächenwellen' zusammengefasst. Sie breiten sich nur an der Oberfläche mit
einer sehr geringen Eindringtiefe aus. P- und S- Wellen werden als Raumwellen
bezeichnet, weil sie sich quer durch den Globus ausbreiten (Press 1995). Eine fünfte
Wellenart, die 'Stanely' - Wellen, breiten sich an der Schichtgrenze zwischen zwei
benachbarten Schichten aus und werden meist nicht mit zu den seismischen Wellen
gezählt (Fowler 1997).
2.2.3.1. P-Wellen
'Kompressions' - Wellen oder 'Primary' - Wellen ('P' von 'primary', 'pressure' oder
'push - pull' (Fowler 1997)) , sind die Wellen, die zuerst bei einer Station ankommen.
Die Abfolge ist aus Anhang A- 6 ersichtlich. Diese Wellen haben nur eine horizontale,
keine vertikale Komponente und sind mit Schallwellen in der Luft vergleichbar, sie
haben keine rotierende Komponente. Sie bewirken eine Volumenänderung des
passierten Mediums, die sich in Fortpflanzungsrichtung durch das Medium bewegt.
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Quelle: (Fowler 1997), ergänzt
Abbildung 9: P - bzw. Kompressions- Wellen mit Partikelbewegung
2.2.3.2. S-Wellen
'Scher' - Wellen oder 'Sekundär' - Wellen ('S' von 'secondary', 'shear' oder 'shake')
(Fowler 1997), die sich langsamer als die P-Wellen ausbreiten, kommen als zweite
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2004
- ISBN (eBook)
- 9783832484156
- ISBN (Paperback)
- 9783838684154
- Dateigröße
- 2.9 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn – Geographie
- Note
- 1,1
- Schlagworte
- naturgefahren erdbebenkatalog bodenverflüssigung newmark displacement arias-intensität
