Hochalpine Messeinrichtungen

Für die Studie installierten die Wissenschaftler am Matterhorn mehrere Seismometer, eines davon unmittelbar am Gipfel auf 4470 Meter über Meer und ein weiteres im Solvay-Biwak, einer Notunterkunft am Nordostgrat, besser bekannt als Hörnligrat. Eine weitere Messstation am Fuss des Berges ein, diente als Referenz. Die grosse Erfahrung von Jan Beutel (ETH Zürich/Universität Innsbruck) und Samuel Weber mit Einrichtungen zur Messung von Felsbewegungen im Hochgebirge half dem Team beim Aufbau des Messnetzes. Die Daten werden heute automatisch an den Erdbebendienst übermittelt und für spezifische Analysen verwendet.

Die Seismometer zeichneten alle Bewegungen des Berges mit hoher Auflösung auf. Durch eine 80-fache zeitliche Beschleunigung wurden die aufgezeichneten Schwingungen für das menschliche Ohr hörbar gemacht. Aus den Messdaten leitete das Team Frequenz und Richtung der Resonanzschwingungen ab. Die Messungen zeigen, dass das Matterhorn mit einer Frequenz von 0.42 Hertz ungefähr in Nord-Süd-Richtung und mit einer zweiten, ähnlichen Frequenz in Ost-West-Richtung schwingt.  

Verstärkte Schwingungen am Gipfel

Im Vergleich zur Referenzstation am Fuss des Berges waren die auf dem Gipfel gemessenen Bewegungen im Bereich der Eigenfrequenz bis zu 14-fach verstärkt, betrugen aber bei Anregung durch die seismische Bodenunruhe auch dort lediglich wenige Nanometer bis Mikrometer. Die Verstärkung der Bodenbewegungen mit zunehmender Höhe lässt sich dadurch erklären, dass der Gipfel frei schwingen kann, während der Fuss des Bergs fixiert ist. Man kann das mit einem Baum im Wind vergleichen, bei dem sich die Krone stärker als der Stamm bewegt. Verstärkungen der Bodenbewegung am Matterhorn konnten auch bei Erdbeben gemessen werden. Die Analyse der seismischen Bodenunruhe und der Erdbebenanregungen wird beispielsweise verwendet, um Fels- und Hanginstabilitäten in Bezug auf ihr Verhalten bei Erdbeben zu beurteilen. Jeff Moore von der Universität Utah, der die Studie am Matterhorn initiiert hat, erklärt: «Wir vermuten, dass Gebiete, in denen die Bodenvibrationen verstärkt werden, anfälliger für Rutschungen und Felsstürze sein könnten, wenn ein Berg von einem Erdbeben erschüttert wird.»

Solche Schwingungen sind keine Eigenart des Matterhorns. Es ist bekannt, dass viele Berge in ähnlicher Art und Weise schwingen. Forschende des Erdbebendienstes führten dazu Vergleichsmessungen am Grossen Mythen durch. Dieser Gipfel in der Zentralschweiz besitzt eine ähnliche Form wie das Matterhorn, ist aber deutlich kleiner. Wie erwartet schwingt der Grosse Mythen mit einer rund 4-mal höheren Frequenz als das Matterhorn, denn kleinere Objekte schwingen grundsätzlich mit höheren Frequenzen. Die Forschenden der Universität Utah haben die Resonanzschwingungen des Matterhorns und des Grossen Mythen im Computer simuliert und konnten sie dadurch sichtbar machen. Die US-Wissenschaftler hatten bisher vor allem kleinere Objekte untersucht wie die Felsbögen im Arches-Nationalpark in Utah. «Es war spannend zu sehen, dass unsere Simulationen auch für einen grossen Berg wie das Matterhorn funktionieren und die Messresultate diese bestätigen», sagt Jeff Moore.

Samuel Weber, Jan Beutel, Mauro Häusler, Donat Fäh & Jeffrey R. Moore (2021). Spectral amplification of ground motion linked to resonance of large-scale mountain landforms. Earth and Planetary Science Letters, available online 22 December 2021, 11729.

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117295

Seit die InSight Mission der NASA im November 2018 auf dem Mars landete und ein Seismometer in Betrieb nahm, analysierte der Marsbebendienst unter der Leitung der ETH Zürich und mit Beteiligung des Schweizerischen Erdbebendienstes (SED) regelmässig die eingehenden Daten. Dabei lokalisierten die Forschenden nicht nur zahlreiche Marsbeben, sondern verwendeten diese Daten auch, um Aussagen über den Aufbau des Planeteninneren zu machen. Sie charakterisierten mit diesem Verfahren Kruste, Mantel und Kern, konnten aber keine Aussagen über die oberflächennahen Strukturen machen. Dieser Bereich ist aber von besonderem Interesse, um die geologische Geschichte des Mars zu verstehen.

Die neuste Untersuchung nutzt nicht die Marsbebensignale selbst, um in den Untergrund zu blicken, sondern die ebenfalls erfasste seismische Bodenunruhe zu Zeiten ohne Marsbeben. Auf unserem Planeten ist sie durch die Wogen der Ozeane, den Wind und menschliche Aktivitäten geprägt. In den letzten Jahrzehnten entwickelte der SED Methoden für die Analyse der Bodenunruhe und wendet diese an, um festzustellen, wie die lokale Geologie aufgebaut ist und ob der lokale Untergrund Erdbebenwellen eher abschwächt oder verstärkt. Das ist wichtig, um die Erdbebengefährdung an einem Standort zu bestimmen, aber auch für die Analyse von instabilen Hangrutschzonen in den Bergen oder in Seen.

Auf dem Mars liegt der Ursprung der Bodenunruhe im Wind, der durch Interaktion mit der Marsoberfläche seismische Wellen erzeugt. Die Auswertungen dieser Bodenunruhe erlauben nun erstmals Aufschlüsse über den Marsuntergrund und seine Geschichte in einer Tiefe von wenigen Dutzend bis zweihundert Metern. Im Unterschied zur Erde gab es auf dem Mars nie eine aktive Plattentektonik, seine Gestalt prägen Phasen von aktivem Vulkanismus, die grosse Gebiete mit basaltischen Lava-Plateaus bedeckten. Die neuen Auswertungen verdeutlichen dies. Sie zeigen eine erste etwa drei Meter dicke Schicht aus Sand (Regolith) und eine etwa 20 Meter dicke Schicht mit losem Gestein, die tausende von Meteoriteneinschlägen zerklüftet haben. Darauf folgen zwei Schichten von Lavaströmen, die den Planeten vor 1.7 und 3.6 Milliarden Jahren überzogen haben. Sie werden in einer Tiefe von ungefähr 30 bis 75 Meter von einer sedimentären Schicht durchbrochen. Diese Schichtung, ähnlich einer Torte mit verschiedenen Füllungen, gibt ein ganz spezifisches seismisches Bild ab. Dieses ermöglichte es den Forschenden, die wichtigsten geologischen Ereignisse der letzten 3 Milliarden Jahre in der Geschichte des Mars zum ersten Mal nachzuvollziehen.

Wenn Menschen eines Tages auf dem Mars landen, sollten sie wissen, was sich unter ihren Füssen befindet. Von besonderem Interesse ist die Frage, ob diese oberflächennahen Schichten Wasser enthalten. Die neusten Erkenntnisse zeigen, dass die auf der Erde erprobten Techniken und Verfahren bei der Beantwortung dieser Frage helfen.

Hobiger, M., Hallo, M., Schmelzbach, C. et al. The shallow structure of Mars at the InSight landing site from inversion of ambient vibrations. Nat Commun 12, 6756 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26957-7

Der SED sowie andere Forschungsgruppen des Departements für Erdwissenschaften der ETH Zürich sind langjähriger Partner des Mont-Terri-Felslabors, das sich von einer einst überschaubaren Forschungseinrichtung in einem Seitentunnel des Autobahntunnels zwischen St. Ursanne und Courgenay zu einer international anerkannten Institution entwickelt hat. Lag der Schwerpunkt des Mont-Terri-Labors in den Anfängen primär auf Untersuchungen zur Lagerung von radioaktiven Abfällen, rückten Forschungsarbeiten zur Speicherung von CO₂ im Untergrund in den letzten Jahren vermehrt in den Fokus. In diesem Gebiet engagiert sich auch der SED seit einigen Jahren als Teil des vom Bundesamt für Energie (BFE) und der EU finanzierten Forschungsprojektes «Elegancy». Ziel ist es, zu untersuchen, ob abgeschiedenes CO₂ aus industrieller Produktion, etwa von Kehrichtverbrennungsanlagen oder der Atmosphäre, sicher und dauerhaft im tiefen Untergrund in der Schweiz oder an einem anderen Ort auf der Welt eingelagert werden kann. Weltweit sind bereits einige solcher «Carbon Capture and Storage» (CCS) Projekte in Betrieb. Eine der Herausforderungen dabei besteht darin sicherzustellen, dass das CO₂ nicht durch Störungszonen (Bruchzonen im tiefen Untergrund) in der Deckschicht langsam an die Erdoberfläche wandert und so wieder in die Atmosphäre gelangen kann. Um dies auszuschliessen, müssen die physikalischen und chemischen Prozesse besser verstanden werden, die beeinflussen, ob und wie CO₂ durch Störzonen entweichen könnte. Zudem soll untersucht werden, ob das eingepresste CO₂ das Potential hat Mikroerdbeben auszulösen. 

Forschende des SED haben dazu gemeinsam mit Partnerinstitutionen wenige Liter mit CO₂ angereichertem Salzwasser über mehrere Monate hinweg mit wechselndem Druck in eine Störzone im Opalinuston injiziert, und dabei mit geophysikalischen und geochemischen Messsensoren genau überwacht, was im Gestein passiert. Der Opalinuston ist im Prinzip eine ideale Deckschicht für ein CO₂-Lager, weil er eine extrem niedrige Wasserdurchlässigkeit hat. Bislang war aber nicht klar, ob CO₂ durch Störzonen im Ton wandern kann. Erste Ergebnisse der Untersuchungen im Mont Terri zeigen, dass das nahe der natürlichen Störzone injizierte CO₂ wie erwartet aufsteigt. Es breitet sich dabei aber nicht nur entlang der Störzone aus, was der einfachste Weg wäre, sondern verteilt sich in einem komplexen Muster in der Umgebung und vermischt sich dabei mit dem bereits in der Störzone vorhanden CO₂. Das CO₂ wandert also nur sehr langsam Richtung Erdoberfläche. Zudem schwillt der Ton an, sobald er mit dem CO₂-Salzwasser-Gemisch in Berührung kommt. Dies führt dazu, dass sich Risse wieder schliessen und sich keine Pfade für den CO₂-Aufstieg formen. Daher kann davon ausgegangen werden, dass der Opalinuston ein sehr effizientes Deckgestein ist und auch kein CO₂ aus dem Reservoir über tausende Jahre entweichen würde. Mittelfristig wird das CO₂ in das Gestein eingebunden beziehungsweise mineralisiert und ist dann permanent fixiert. Die Ergebnisse werden aktuell für wissenschaftliche Publikationen aufbereitet. Die Forschungsarbeiten im Mont-Terri-Felslabor leisten damit einen Beitrag zur Erreichung der UN-Klimaziele, bei denen sogenannte «negative Emissionen» mit Hilfe CCS eine wichtige Rolle spielen. 

Ebenfalls in einem Tunnel tief im Untergrund betreibt die ETH Zürich ein Felslabor mit etwas anderem Schwerpunkt. Das «BedrettoLab» ist eine Forschungsinfrastruktur, die sich rund 1,5 Kilometer unter der Erdoberfläche und in der Mitte eines 5,2 Kilometer langen Tunnels befindet, der das Tessin mit dem Furka-Eisenbahntunnel verbindet. Im BedrettoLab betreiben verschiedene Wissenschaftsteams experimentelle Forschung. Ziel dieser Experimente ist es insbesondere neue Methoden zu entwickeln, um im tiefen Untergrund einen effizienten Wärmetauscher zu erzeugen, ohne dabei grössere spürbare oder gar schadenbringende Erdbeben auszulösen. Zudem wollen die Forschenden mit Absicht sehr schwache, für Menschen nicht spürbare Beben mit Magnituden von 0 bis 1 auslösen, damit sie den etwa 10 bis 30 Meter langen Bruchprozess aus wenigen Metern Entfernung beobachten können. Durch diese Experimente ergeben sich neue wissenschaftliche Erkenntnisse für die Geothermie und die Erdbebenphysik sowie neue Techniken und Sensoren, welche in diesem Bereich eingesetzt werden können. Der SED ist ein zentraler Forschungspartner des BedrettoLabs und verantwortlich für die seismische Überwachung aller Arbeiten. 

Erste, wichtige Erkenntnisse über den Zusammenhang von Geothermie und induzierten Erdbeben sammelte der SED bereits vor der Eröffnung des BedrettoLabs in einem weiteren Felslabor in der Schweiz im Grimsel. Auf einer etwas kleineren Skala als im Bedrettotal untersuchten die Forschenden die Physik von induzierten Erdbeben, also Beben, die beispielsweise im Rahmen von Stimulationen bei tiefen Geothermieprojekten auftreten können. Die Untersuchungen in den Felslaboren werden durch kleinformatige Experimente mit Gesteinsproben im «Rock Physics and Mechanics Laboratory» an der ETH Zürich ergänzt. In diesem Labor können die Forschenden das Umfeld noch besser kontrollieren als direkt im Felsen. Um Forschung weiterzubringen sind Forschungslabore – egal ob im Felsen tief unter der Erdoberfläche oder in Gebäuden der ETH – für die Wissenschaft unerlässlich, um den komplexen Prozessen im Erdinnern auf die Spur zu kommen. 

Schäden sind bei Beben dieser Stärke nicht zu erwarten. Falls Sie eines der Beben gespürt haben, können Sie Ihre Beobachtungen unter  www.seismo.ethz.ch/earthquakes/did-you-feel-an-earthquake melden.

Spürbare Beben sind im Jura vergleichsweise selten. Im Wallis hingegen werden im langjährigen Mittel ungefähr fünf Beben pro Jahr von der Bevölkerung gespürt. Schadensreiche Beben können grundsätzlich in beiden Regionen jederzeit vorkommen. Sie sind jedoch auch im Wallis, der Region mit der höchsten Erdbebengefährdung in der Schweiz, eher selten. Mit einem starken Beben mit einer Magnitude von 6 oder mehr ist etwa alle 50 bis 150 Jahre zu rechnen. Zuletzt ereigneten sich im Jahr 1946 bei Sierre (VS) ein Beben mit einer Magnitude von 5.8. Wo genau das nächste grössere oder kleinere Beben auftritt, lässt sich nicht vorhersagen. 

Ein Algorithmus übersetzt die unterschiedlichen seismischen Signale und definiert damit die Form und Grösse der Wasserbögen. Die Wasserdüsen sind in vier Dreiergruppen angeordnet und schiessen teilweise über 2.5 Meter in die Höhe. Dabei erzeugt je eine Düse pro Gruppe einen Wasserstrahl, der entweder die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder den Weg (oder die sogenannte «Verschiebung») der aufgezeichneten Bodenbewegung darstellt. Diese drei Parameter bilden auch die Grundlage seismologischer Auswertungen. 

Eine grosse Version dieses Wasserspiels kann beim Zürcher Seebad Enge bestaunt werden. Der Springbrunnen «Aquaretum» zeigt ebenfalls in Echtzeit die Signale der Station Zürichberg. Meist sind es die Wogen des Atlantiks, des Mittelmeers oder der Ostsee, die das Wasserspiel steuern. Diese von den Meereswellen verursachten Schwingungen werden ständig von der seismischen Station am Zürichberg aufgezeichnet und sogleich an die Brunnensteuerung übermittelt. Etwa einmal pro Woche ändert sich für eine kurze Zeit die Dynamik des Wasserspiels und zwar dann, wenn sich weltweit ein grosses Beben ereignet hat und dessen Schwingungen den Untergrund auch in Zürich bewegen. Kleinere Schweizer Beben lassen sich mit etwas Glück ebenso auf dem Brunnen im Zürichsee und seinem kleinen Bruder in der focusTerra-Ausstellung entdecken.

Die Sonderausstellung «Wellen – Tauch ein!» von focusTerra ist noch bis am 5. März 2023 geöffnet.

Mehr Informationen finden Sie hier.

Das letzte, ähnlich grosse Ereignis in der Nähe ereignete sich im März 1996 (ebenfalls Magnitude 4.1). Nach einer relativ ruhigen Phase ohne signifikante Erdbeben in den folgenden fast 25 Jahren gab es im September 2020 ein Beben mit einer Magnitude 3.5 und gestern Morgen eines mit einer Magnitude 3.0. Eine erste Analyse deutet darauf hin, dass das Beben Resultat einer in etwa Nord-Süd ausgerichteten schrägen Aufschiebung ist, wie auch schon das Magnitude 3.5 Beben in 2020.

Grundsätzlich sind Erdbeben in dieser Region nichts ungewöhnliches, der Kanton Wallis weist innerhalb der Schweiz die grösste Erdbebengefährdung auf. Es ist zu erwarten, dass in den nächsten Tagen und Wochen kleinere Nachbeben auftreten werden, die möglicherweise auch gespürt werden können. Die Wahrscheinlichkeit, dass in den nächsten Tagen oder Wochen noch ein ähnlich grosses oder grösseres Beben auftritt ist sehr gering, es ist allerdings auch nicht auszuschliessen.

Bei den verwendeten «seismic nodes» handelt es sich um 5-Hz-Geophone mit integrierter Batterie und Digitalisierer (SOLOS von der Universität Genf) und 5-Hz-Geophone mit externem Digitalisierer und Batterie (vom Geophysikalischen Instrumentenpool des GFZ). Die Daten aus solchen dichten seismischen Messnetzwerken ermöglichen den Forschenden ein besseres Verständnis des Untergrunds. Dank der geringen Grösse der «seismic nodes» konnte das Forschungsteam den Netzaufbau innerhalb von zwei Wochen im Juni abschliessen, trotz der schwierigen Wetterbedingungen, des steilen Geländes und der langen Wanderungen zu den einzelnen Standorten.

Ein besonderer Schwerpunkt des Netzwerkes lag auf der nördlichen Region um Nesjavellir und dem südlichen Hverahlid, wo sich die produktivsten Bohrlöcher des Geothermalkraftwerkes befinden. Ein sogenannter "Vibrotruck" (siehe Abb. 2) fuhr durch das nördliche Messgebiet und lieferte ein zusätzliches Quellsignal. Der Vibrotruck, der üblicherweise in solchen seismischen Explorationen eingesetzt wird, drückt eine vibrierende Platte auf die Erdoberfläche. Die niederfrequenten Schwingungen breiten dann sich im Untergrund aus und werden von den Gesteinsschichten reflektiert. Diese erzeugten seismischen Wellen wurden von den installierten Geophonen aufgezeichnet und lieferten weitere Erkenntnisse über den geologischen Untergrund.

Nach dem Aufbau war das Netz zwei Monate lang erfolgreich in Betrieb und überschnitt sich mit einem anderen seismischen Netz (COSEISMIQ), das ebenfalls vom SED betrieben wird. Im August 2021 reiste die Gruppe erneut nach Island, um beide Netzwerke schlussendlich wieder abzubauen. Die Forscherinnen und Forscher erwarten, dass sie mit der hochdichten seismischen Aufnahmen den Untergrund in noch nie dagewesenen Details beleuchten können.

Solche langsamen Rutschungen treten am häufigsten in Regionen auf, in denen tektonische Platten übereinandergleiten (Subduktionszonen), insbesondere am Rande des Pazifischen Ozeans, beispielsweise in Japan, Neuseeland, Nord- und Mittelamerika oder in der Nähe von Vulkanen wie dem Ätna in Italien oder dem Kilauea auf Hawaii.

Das Team analysierte die Korrelation zwischen den Merkmalen eines jeden langsamen Ereignisses und der ausgelösten seismischen Aktivität. Die Ergebnisse zeigen, dass flachere «Slow Slips» im Vergleich zu tieferen langsamen Rutschvorgängen eher dazu neigen, starke Seismizität auslösen. Diese Informationen können nun genutzt werden, um ein Modell zur Vorhersage von Veränderungen und Gefahren im Zusammenhang mit diesen speziellen Ereignistypen zu verbessern. Die Forschenden hoffen, dass die Datenbank und die Modellierung weiterentwickelt werden können, um ein besseres Verständnis dieser komplexen Prozesse zu erlangen.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift «Science Advances» veröffentlicht und sind unter folgendem Link abrufbar: https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.abg9718

Das Gebiet von Eglisau ist seit 1984 für seine seismische Aktivität bekannt, die durch sehr schwache und selten spürbare Beben in geringer Tiefe charakterisiert ist. Das letzte etwas stärkere Beben bei Eglisau, mit einer Magnitude von 3.1, ereignete sich am 12. September 1999. Das aktuelle Beben ist das stärkste Ereignis seit diesem Datum; in den Jahren 2004 und 2015 gab es jeweils ein Ereignis mit einer Magnitude von knapp 2. Die Charakterisierung der tektonischen Strukturen, die für diese Erdbeben verantwortlich sind, ist Gegenstand von laufenden wissenschaftlichen Untersuchungen.

Seit dem Beginn der InSight-Mars-Mission am 26. November 2018 wurden über 500 Marsbeben aufgezeichnet. Mit Magnituden zwischen 1 und 4 sind dies kleine Ereignisse im Vergleich zu Beben auf der Erde. Nur wenige dieser Marsbeben konnten zuverlässig geortet werden, indem man deren Richtung und die Entfernung zum Seismometer bestimmte. Die jüngst erfassten grösseren Marsbeben ereigneten sich in Cerberus Fossae, einem langen, etwa 1’200 Kilometer von Elysium Planitia entfernten Grabensystem, wo InSight gelandet war. Die Beben weisen einen Ausdehnungsmechanismus auf, der mit den regionalen tektonischen Gegebenheiten übereinstimmt und zeigen, dass die Marskruste weiterhin einer starken Verformung unterliegt.

Im Rahmen der InSight-Mission werden die auf dem Mars aufgezeichneten Daten in regelmässigen Übertragungen, oft mehrmals täglich, über das NASA Deep Space Network zur Erde zurückgesendet. Dort werden sie vom Jet-Propulsion Laboratory (JPL) in den USA und dem Nationalen Zentrum für Weltraumforschung (CNES) in Frankreich zeitnah aufbereitet, einer Qualitätskontrolle unterzogen und danach an den Marsbebendienst der ETH Zürich in die Schweiz geschickt. Der Marsbebendienst hat die Aufgabe, eine erste Analyse der Daten vorzunehmen mit dem Ziel, Marsbeben zu identifizieren und periodisch Marsbebenkataloge herauszugeben. Diese bilden den Ausgangspunkt für weitere wissenschaftliche Untersuchungen. Es handelt sich hierbei um ein gemeinschaftliches Unterfangen zu dem Seismologinnen und Seismologen der ETH Zürich, des Instituts für Erdphysik Paris (IPGP), der Universität Bristol und des Imperial College London beitragen. Zu Beginn der Mission waren die auf dem Mars aufgezeichneten Daten voller Überraschungen und schwer zu entschlüsseln. Nachdem seismische Daten vom Mars ein ganzes Jahr lang verarbeitet wurden, ist der Marsbebendienst nun in der Lage, die Signale binnen weniger Stunden nach ihrer Aufzeichnung auf dem Mars vollständig zu charakterisieren. Diese Leistung ist vergleichbar mit jener moderner seismischer Netzwerke auf der Erde.

In Anerkennung der erfolgreichen Leistung von InSight hat die NASA die Verlängerung der Mission um ein zweites Marsjahr genehmigt. Leider sammelt sich der rote Staub, der für alle Bilder vom Mars charakteristisch ist, auch auf den Solarpanels von InSight an, was deren Stromproduktion verringert und Bedenken über den langfristigen Betrieb der Mission aufkommen lässt.

Um mehr über die NASA-Mission InSight zu erfahren, besuchen Sie www.insight.ethz.ch oder www.mars.nasa.gov/insight/.

Zugang zur gemeinsamen Pressemitteilung über das jüngste Marsbeben.

Allen Magnitudentypen ist gemeinsam, dass sie unmittelbar anhand der Erdbebensignale berechnet werden können, die von den seismischen Stationen registriert werden. Zur besseren Charakterisierung von Erdbeben in der Schweiz hat der Schweizerische Erdbebendienst an der ETH Zürich (SED) kürzlich eine überarbeitete Lokalbebenmagnitude (M_Lhc) eingeführt. M_Lhc gewährleistet das harmonische Zusammenspiel der routinemässigen Berechnung der Lokalbebenmagnituden in der Schweiz mit der technologisch hochentwickelten Erdbebenforschung beim SED. Zudem ermöglicht M_Lhc eine optimale Nutzung des sehr dichten nationalen seismischen Netzwerks der Schweiz. Was bedeutet das genau und wie unterscheidet sich M_Lhc von der bisher verwendeten Lokalbebenmagnitude?

Erdbeben werden meist anhand der Lokalbebenmagnitude (M_L) charakterisiert, die im Jahr 1935 von Charles Richter in Kalifornien eingeführt wurde. M_L ist oft von regionalen Faktoren abhängig. So kalibrierte Urs Kradolfer, der ehemalige Forscher beim SED, im Jahr 1984 M_L für Erdbeben in der Schweiz. Seine Berechnungen beruhten auf den Aufzeichnungen des nationalen seismischen Netzwerks der Schweiz, das damals aus 23 Stationen bestand, die lediglich vertikale Bodenbewegungen erfassten. Um die Jahrtausendwende wurde Kradolfers Modell angepasst, um von der nächsten Generation digitaler 3-Komponenten-Breitbandinstrumente des modernisierten seismischen Netzwerks der Schweiz zu profitieren. Dies geschah insbesondere durch die Verwendung von Aufzeichnungen horizontaler Bodenbewegungen (M_Lh).

In den vergangenen 20 Jahren wurde das nationale seismische Netzwerk der Schweiz erheblich erweitert und umfasst mittlerweile mehr als 200 seismische Stationen, darunter über 100 hochleistungsfähige Starkbebensensoren. Dadurch kann der SED heute routinemässig Erdbeben erfassen, die sich in sehr geringen Entfernungen (15 bis 20 km) von ihrem Herd im Erdinnern (Hypozentrum) ereignen, und deren M_Lh häufig kleiner als 2 ist. Solch geringe Entfernungen und kleine Magnituden liegen allerdings ausserhalb des Kalibrierungsbereichs von Kradolfers Modell. Eine weitere Einschränkung von M_Lh besteht darin, dass stationsbezogene Korrekturfaktoren, die durch lokale Bodeneigenschaften bedingt sind, nicht systematisch angewandt wurden.

Dieser Aspekt ist jedoch von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Starkbebenstationen, die sich zumeist in städtischen Gebieten befinden und häufig durch eine signifikante Verstärkung von Bodenbewegungen gekennzeichnet sind. Bei der Verwendung von M_Lh mussten die Seismologinnen und Seismologen Stationsmagnituden von Standorten verwerfen, die sich zu nah am Erdbeben befanden oder zu starke Standortverstärkungen aufwiesen. Um diese Nachteile zu bewältigen, ist der SED kürzlich zur einer überarbeiteten Lokalbebenmagnitude übergegangen: «M_Lhc». Das «c» steht dabei für «corrected», d. h. «korrigiert».

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass M_Lhc kalibriert wurde, um Magnituden zu liefern, die M_Lh so ähnlich wie möglich sind. Allerdings bringt M_Lhc zwei deutliche Verbesserungen, die den Forschenden die Nutzung der Informationen von allen Stationen im Netzwerk ermöglichen und für stabilere Magnituden sorgen, insbesondere bei kleinen Erdbeben:

• Zum einen erfolgt die Kalibrierung anhand eines wesentlich grösseren Datenbestands, der eine hohe Zahl an Aufzeichnungen sehr nahe am Hypozentrum einschliesst. Somit ermöglicht M_Lhc die Einbeziehung von Stationen, die weniger als 20 km vom Hypozentrum entfernt sind.
• Zum anderen berücksichtigt das Verfahren zur Berechnung von M_Lhc physikalisch basierte Standortverstärkungsfaktoren, die routinemässig vom SED berechnet und aktualisiert werden. Dies ermöglicht den Seismologinnen und Seismologen, alle Stationen unabhängig von Standorteffekten zu nutzen.

Auch wenn der SED zur einfacheren Kommunikation nur den Begriff «Magnitude» verwendet, wird in den ausführlichen Informationen auf der Website des SED immer der Magnitudentyp des Erdbebens angegeben.

Weitere Informationen über die verschiedenen Magnitudentypen finden Sie hier.

Die Orientierung dieser Störungszone stimmt gut mit dem Verlauf des Hegau-Bodensee Grabens überein. Dieser ist Teil einer grossräumigen tektonischen Grabenstruktur, die sich vom Kaiserstuhl nordwestlich von Freiburg (D) bis zum Bodensee erstreckt, und durch die tertiären und mesozoischen Sedimente vermutlich bis hinab ins Grundgebirge reicht. Die jetzige Sequenz kann vermutlich als weiterer Ausdruck der tektonischen Deformation entlang dieser Grabenstruktur gedeutet werden. Um das zu bestätigen, sind allerdings noch vertiefte Analysen notwendig.

Während die Elm-Sequenz vor allem die Deutschschweiz bewegt hat, sorgte am 23. Juni ein Beben mit einer Magnitude von 3.8 bei Vallorcine (F) für viele Verspürtmeldungen aus der Westschweiz. Die Tessiner Bevölkerung verspürte vor allem ein Beben bei Milano (I) mit einer Magnitude von 3.9 sowie eines bei Bellinzona (TI) mit einer Magnitude von 2.9. Mit einer Magnitude von 3.5 trat am 9. November ein weiteres stärkeres Beben südlich von Arolla (VS) im schweizerisch-italienischen Grenzgebiet auf. Dass grössere Beben über weite Distanzen von Menschen wahrgenommen werden können, zeigt das Beben in Kroatien mit einer Magnitude von 6.3, welches in der Epizentralregion schwere Schäden verursachte. In der Schweiz, ungefähr 600 Kilometer vom Epizentrum entfernt, haben über dreissig Personen die Erschütterungen bemerkt und gemeldet. Die meisten von ihnen haben sich zur Zeit des Bebens in den obersten Stockwerken von höheren Gebäuden aufgehalten. Von einem so weit entfernten Beben treffen in der Schweiz vorwiegend die langperiodischen Wellen ein, die vor allem hohe Gebäude ins Schwanken bringen können.

Wenn die mehr als 200 seismischen Stationen in der Schweiz nicht gerade die Wellen eines Erdbebens aufzeichnen, messen sie das sogenannte Hintergrundrauschen. Neben natürlichen Vibrationen, ausgelöst durch Stürme oder die Bewegungen des Meeres, wird dieses Rauschen vor allem durch menschliche Aktivitäten wie den Verkehr beeinflusst. Dabei lassen sich mit Seismometern nur generelle Bewegungsmuster erkennen und nicht, wie sich beispielsweise einzelne Personen oder Fahrzeuge bewegen. Der Lockdown im März sowie weitere Massnahmen zur Eindämmung des Coronavirus führten zu einer markanten Abnahme dieses Hintergrundrauschens. Diese Ruheperiode ist die längste, die jemals aufgezeichnet wurde. Ähnliche Ruhephasen sind ansonsten nur an den Wochenenden oder über die Festtage zu beobachten.

Schaut man sich die oberhalb abgebildete Entwicklung des täglichen Hintergrundrauschens an vier verschiedenen Standorten an, zeigt sich bei allen ein klarer Rückgang infolge des Lockdowns am 16. März 2020. Mit Ende der ausserordentlichen Lage Mitte Juni steigt das Hintergrundrauschen wieder an. Das von den Seismometern aufgezeichnete Hintergrundrauschen ist an jeder Station einzigartig und hängt beispielsweise davon ab, wie weit gewisse Lärmquellen entfernt sind. Nimmt man das Beispiel der kleinen Schanze in Bern oder des Kasernenareals in Zürich sieht man zwar ebenfalls den Rückgang infolge des Lockdowns, er ist aber weniger ausgeprägt als an anderen Standorten. Das hängt damit zusammen, dass beide Standorte im Vergleich zu anderen weiter weg von vielbefahrenen Strassen liegen. Die kleineren, wiederkehrenden Schwankungen, die an allen Standorten zu erkennen sind, widerspiegeln die Wochentage und Wochenenden. Also auch während des Lockdowns war das Hintergrundrauschen am Wochenende nochmals geringer als von Montag bis Freitag.

Medienmitteilung herunterladen (PDF)

Abbildung herunterladen (PNG)

In der Schweiz ist alle 50 bis 150 Jahre mit einem vergleichbaren Beben zu rechnen. Erdbeben halten sich aber an keinen genauen Fahrplan. Das nächste grosse Beben kann sich daher genauso gut in nächster Zeit oder erst in einigen Jahrzehnten ereignen. Das Wallis gehört neben der Region Basel, dem Bündnerland, der Zentralschweiz und dem St. Galler Rheintal zu den Gebieten mit der höchsten Erdbebengefährdung hierzulande. Obwohl grosse Beben grundsätzlich in der ganzen Schweiz auftreten können, sind es diese Regionen, in denen sich mehr und daher auch häufiger starke Beben ereignen. Würde es heute ein ähnliches Beben wie vor 75 Jahren im Rhonetal geben, wäre aufgrund der dichteren Besiedlung mit wesentlich schwereren Folgen und Schäden in einer Grössenordnung von 26 Millionen CHF zu rechnen.

Regelmässig erinnern spürbare Beben die Walliser Bevölkerung, dass der Boden unter ihren Füssen seismisch aktiv ist. Neben einzelnen Beben treten im Wallis, wie auch anderorts in der Schweiz, häufig Erdbebensequenzen auf. Eine besonders aktive Sequenz, mit mehr als 16 verspürten Beben innerhalb von zehn Tagen, wurde im Jahr 2019 nahe des Sanetschpasses beobachtet. Die 56 seismischen Stationen im Wallis zeichnen ausserdem zahlreiche kleinere Beben auf. Die dichte Überwachung ermöglicht es, die seismische Aktivität rund um die Uhr zu beobachten und im Falle von grösseren Beben die Bevölkerung, Behörden und Medien umgehend zu informieren. Die Analyse der seismischen Daten hilft zudem dabei, den lokalen Untergrund besser zu verstehen. Sie liefert damit eine wichtige Grundlage für die Erdbebenprävention. Neben dem Wissen über das empfohlene Verhalten ist vor allem eine erdbebengerechte Bauweise zentral, um die Folgen eines Bebens zu mindern. Dies sind beides Aspekte, in welche der Kanton Wallis in den vergangenen Jahren viel investiert hat.

Die Erdbebenaktivität im Wallis hängt wie in der gesamten Schweiz mit dem Aufeinanderprallen der europäischen und der afrikanischen Lithosphärenplatten zusammen. Die Folge sind zahlreiche Bruchsysteme im Untergrund, auf denen sich Spannungen aufbauen und plötzlich in Form von Erdbeben wieder lösen. Aus geologischer Sicht stellt die Rhone-Simplon-Verwerfung eine der wichtigsten Störzonen in der Region dar. Sie verläuft im Bereich von Sion entlang des Nordrandes des Rhonetals. Die Seismizität im Bereich der helvetischen Decken nördlich des Rhonetals steht daher wahrscheinlich in Zusammenhang mit den Deformationsprozessen entlang der Rhone-Simplon-Verwerfung, aber eventuell auch mit den tiefer liegenden Hebungsprozessen im Bereich des Aar-Massivs und des Aiguilles-Rouges/Mont-Blanc-Massivs. Ein verbessertes Verständnis dieser tektonischen Prozesse und ihrer Auswirkungen auf die heutige Seismizität sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten beim Schweizerischen Erdbebendienst (SED) an der ETH Zürich. Darüber hinaus entwickelt der SED derzeit gemeinsam mit dem Bundesamt für Umwelt, dem Bundesamt für Bevölkerungsschutz und der EPFL ein Erdbebenrisikomodell für die Schweiz. Dies wird künftig dabei helfen, die möglichen Folgen eines Erdbebens besser abschätzen zu können und die Verhältnismässigkeit von Massnahmen zu überprüfen.

Weitere Informationen zu den Aktivitäten zur Erinnerung und Vorbereitung auf das nächste Erdbeben im Wallis finden Sie hier:

https://wp.unil.ch/seisme1946/?lang=de

Erdbeben 1946 – didaktischer und pädagogischer Rundgang im Herzen der Stadt Sitten