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Erdbebenüberwachung

Mehr als 150 vom Schweizerischen Erdbebendienst betriebene seismische Stationen überwachen die Erdbebenaktivität in der Schweiz und ihren Nachbarländern in Echtzeit. Diese Stationen sind über das gesamte Land verteilt und an verschiedenen Orten, unter anderem in Höhlen, Tunneln und sogar in Bohrlöchern installiert.

Die Schweiz benötigt ein seismisches Netzwerk, um die Hintergrundseismizität zu überwachen und die Folgen seltener, grosser Erdbeben, die beträchtliche Schäden verursachen, zu verstehen. Dies ist auch in einem Land mit einem mässigen Erdbebenrisiko wie in der Schweiz wichtig. Ein dichtes, hochmodernes Netzwerk, das die Erdbebenaktivität in Echtzeit überwacht, erfüllt diese Aufgabe und informiert schnell Behörden, Medien und Öffentlichkeit über Erdbeben infolge erheblicher seismischer Ereignisse. Zudem stellt es hochwertige Daten für Risikostudien und grundlegende Erdbebenforschung bereit.

Das dichte seismische Netzwerk der Schweiz besteht aus hochentwickelten, modernen und rauscharmen Stationen mit Echtzeit-Datenübermittlung an verteilte Datenverarbeitungszentren an der ETH Zürich. Die Daten werden analysiert und die Ereignisse binnen weniger Sekunden nach ihrem Eintritt gemessen.

Die seismischen Daten stammen aus folgenden Quellen:

  • Das Nationale Netzwerk der Schweiz (CHNet), bestehend aus dem Breitbandnetz (SDSNet) und dem Starkbebennetz (SSMNet), nutzt vorwiegend Breitbandseismometer, um schwache lokale, mässige regionale und mässige bis starke globale Erdbeben zu registrieren. Akzelerometer werden eingesetzt, um mässige und starke lokale Erdbeben zu registrieren.
  • Spezielle (häufig temporäre) Netzwerke werden zur Überwachung erhöhter natürlicher Erdbebenaktivität eingestzt, um beispielsweise Nachbeben zu messen oder Forschungs- und Ausbildungsprojekte zu unterstützen (wie z. B. AlpArray und seismo@school). Zudem dienen sie dazu, induzierte Beben infolge von Geothermieprojekten zu überwachen oder um andere, gewerbliche Aufträge von Dritten auszuführen.

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Karte aller Echtzeitstationen, die vom SED in der Schweiz überwacht werden

 

Die exakte Lokalisierung von Erdbeben ist von Beobachtungen abhängig, die durch zahlreiche Stationen ohne grosse Azimutabstände, darunter Stationen nahe am Epizentrum, gemacht werden. Da jedoch schädigende Beben, zu denen es in der Schweiz kommt, ihren Ursprung auch in Ereignissen jenseits der Landesgrenzen haben können, überwacht das seismische Netzwerk auch alle nahegelegenen, in Betrieb befindlichen Echtzeitstationen in den Nachbarländern.

Das wichtigste Instrument der Stationen des SDSNet ist ein hochempfindliches Breitbandseismometer, das jede noch so schwache Bodenerschütterung registriert, die durch schwache lokale, mässige regionale und mässige bis starke globale Erdbeben ausgelöst wird. Nach Möglichkeit werden die Stationen des SDSNet auf festem Fels an abgelegenen Orten angebracht.

Das SDSNet ist das Herzstück der Massnahmen zur Erdbebenüberwachung in der Schweiz, und die von ihm erfassten Daten ermöglichen für das gesamte Land die Erstellung eines einheitlichen Erdbebenkataloges im Hinblick auf die Vollständigkeitsmagnitude. Die niedrigste Magnitude eines seismischen Ereignisses, das in der Schweiz zuverlässig gemessen und geortet werden kann, beträgt derzeit 2,0. In Gebieten, in denen das Netz am dichtesten und das Grundrauschen gering ist, können jedoch Magnituden von rund 1,0 gemessen werden (Hinweis: kleinere Erdbeben werden häufig registriert und auf unserer Webseite aufgeführt, aber nicht alle Ereignisse dieser Grösse können aufgezeichnet werden, so dass unser Erdbebenkatalog bei dieser Magnitude unvollständig ist).

Erdbeben mit einer Magnitude von rund 4,5 oder mehr, die in der Nähe einer SDSNet-Station aufgezeichnet werden, erzeugen Bodenbewegungen, die ausserhalb der Skala liegen und den maximalen Messbereich der Breitbandsensoren überschreiten. Im Zuge einer Aufrüstung des Messnetzes werden sämtliche SDSNet-Standorte mit einem zusätzlich an gleicher Stelle angebrachten Starkbebenakzelerometer ausgestattet, damit sichergestellt ist, dass auch grosse Erdbeben ohne eine derartige Sättigung aufgezeichnet werden und diese Stationen die volle Magnitude im Skalenbereich erfassen.

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Karte aller Breitband- und kurzperiodischen Seismometer, die vom SED in der Schweiz überwacht werden

Das SSMNet ergänzt das SDSNet, indem es für eine zusätzliche Messnetzdichte und -abdeckung sorgt.

Die Stationen des SSMNet sind mit einem Akzelerometer ausgerüstet, das mässige und starke lokale Erschütterungen messen kann. Die meisten Stationen des SSMNet befinden sich in Siedlungsgebieten, Hochrisiko-Regionen und an Orten, an denen mit starken Auswirkungen gerechnet wird.

Bei grossen Erdbeben liefern die von diesen Stationen gelieferten Daten wesentliche Informationen, die dabei helfen, die Muster der verursachten Schäden zu verstehen. Die Stationen sollen zwar Bodenbewegungen aufzeichnen, können aber auch Erdbeben registrieren, die von der Bevölkerung vor Ort nicht bemerkt werden.

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Karte aller Akzelerometer, die vom SED in der Schweiz überwacht werden

Die instrumentelle Überwachung der Erdbebenaktivität in der Schweiz begann im frühen 20. Jahrhundert (siehe Geschichte des SED). Seitdem nimmt die Schweiz bei der Erdbebenüberwachung in Europa eine führende Rolle ein.

In den 1970er Jahren wurde ein kurzperiodisches seismisches Hochleistungs-Telemetrienetzwerk installiert, das Daten auf Mikrofilm aufzeichnete.

Mitte der 1980er Jahre bestand das Netzwerk aus einem dichten Netz von Hochleistungssensoren mit Funkkommunikation, die auf einem zentralen Rechnersystem mit automatischer Verarbeitung für die Erdbebenmessung digitalisiert wurde. Diese Sensoren wurden auf festem Fels an sehr rauscharmen Stellen platziert, um ihnen die Aufzeichnung der Hintergrundseismizität in der Schweiz zu ermöglichen.

In den frühen 1990er Jahren wurde das Starkbebennetzwerk der Schweiz (SSMNet) mit Wählverbindungen und Auslösung der 12- bis 16-Bit-Instrumentierung eingerichtet. Die Stationen wurden an 70 Freifeld-Standorten vornehmlich in Siedlungsgebieten und im Bereich von 6 Talsperren installiert. Dieses Netzwerk zielte auf Gebiete ab, in denen das seismische Risiko hoch ist und wo zu erwarten stand, dass heftige lokale Auswirkungen die durch Erdbeben ausgelösten Bodenbewegungen verstärken.

Gegen Ende der 1990er Jahre lösten mit 24-Bit-Datenloggern ausgestattete Breitbandsensoren die kurzperiodischen Sensoren ab, und es wurde GPS-Timing eingeführt. Die Kommunikationsmittel wurden überdies auf ein sicheres Internetsystem mit hoher Bandbreite aufgerüstet.

In den 2000er Jahren wurden allmählich auch Starkbebensensoren vergleichbarer Qualität installiert. Das neue, moderne System, in dem das Schweizerische digitale seismische Netzwerk (SDSNet) und das Starkbebennetzwerk der Schweiz (SSMNet) zusammengefasst sind, wird als Nationales Netzwerk der Schweiz (CHNet) bezeichnet.

Die meisten Stationen des SDSNet sind mit Streckeisen-Breitbandseismometern vom Typ STS-2 ausgestattet, die einen Periodenbereich von 120 Sekunden bis 50 Hz mit nahezu konstanter Reaktion abdecken. Einige wenige Stationen sind mit Trillium-Sensoren der Versionen 120s oder 40s ausgerüstet, die insbesondere bei längeren Perioden eine niedrigere Auflösung haben, die jedoch gegenüber höheren Frequenzen empfindlicher sind. Eine Bohrloch-Station in Basel ist mit einem Seismometer vom Typ Güralp CMG-3T 360s ausgestattet. Sämtliche kurzperiodischen 5s- oder 1s-Sensoren werden auf Breitbandsensoren der nächsten Generation aufgerüstet (das Streckeisen STS-2.5 und das Nanometrics Trillium 240s, deren Leistung mit jener des Streckeisen STS-2 vergleichbar ist).

Die Digitalisierungs- und Datenerfassungssysteme, die bei der Mehrzahl der Stationen genutzt werden, basieren auf verschiedenen Generationen von Nanometrics-Geräten. Bei der fortlaufenden Aufrüstung des Netzwerks werden Systeme der älteren Generation mit begrenzten Speicher- und Kommunikationsmöglichkeiten durch die neuesten Versionen der Systeme Nanometrics Centaur und Quanterra Q330HR ersetzt. Überdies werden sämtliche Breitbandstationen mit einem an gleicher Stelle angebrachten Starkbebensensor vom Typ EpiSensor ausgerüstet, damit an diesen Standorten alle Erdbeben im Skalenbereich innerhalb des Basissystems aufgezeichnet werden.

Sämtliche Stationen des SSMNet sind mit einem 200-Hz-Breitband-Akzelerometer vom Typ Kinemetrics EpiSensor und einem Datenlogger vom Typ Nanometrics Taurus oder Centaur ausgestattet.

Die Datenlogger im CHNet werden via GPS synchronisiert. Die Stationen des SDSNet tasten die seismischen Signale mit einer Frequenz von mindestens 120 SPS ab, in der Regel 120 SPS (STS-2), 200 SPS (STS-2.5, Trillium 40s, 120s, 240s) und 250 SPS (allein installierte EpiSensors).

Die Kommunikation zwischen dem Feld und Zürich wird durch mehrere unabhängige Internet-basierte Anbieter sichergestellt, um das Szenario eines „Single point of failure“ zu vermeiden. Die meisten Stationen des SSMNet nutzen zellulare Kommunikationssysteme, während für das Basissystem SDSNet robustere Lösungen verwendet werden. Sämtliche Stationen nutzen Breitbandlösungen mit minimaler Latenzzeit, die für die Erdbebenfrühwarnung ausgelegt sind. Die Datenpakete werden mindestens jede Sekunde mit einer Latenzzeit von weniger als 1 Sekunde versendet.

Das Umgebungsrauschen einer seismischen Station ist die Summe der akustischen Signale im umgebenden Hintergrund. Der Rauschpegel wird nicht nur durch die Nähe des Standorts zu menschlichen Aktivitäten und Infrastruktur, sondern auch durch seine geologische Beschaffenheit, die Temperatur, die Druckstabilität und sogar seinen Abstand zum Meer beeinflusst. Da das CHNet sehr empfindliche Instrumente nutzt, die das Grundrauschen und nicht das Sensorrauschen messen sollen, ist es wichtig, das Umgebungsrauschen auf ein Mindestmass zu begrenzen, um auch schwache seismische Signale nachweisen zu können. Die Auswahl der Standorte für das SDSNet muss besonders sorgfältig erfolgen, denn das Umgebungsrauschen soll auf den jeweiligen Frequenzen, die von 100 Hz bis 1.000 s reichen, auf ein Mindestmass verringert werden. Es muss jedoch einen Kompromiss geben zwischen der Notwendigkeit, ein geringes Umgebungsrauschen sicherzustellen, und einer Gewähr für den Fortbetrieb historischer, „traditioneller“ Standorte. Zahlreiche Standorte des SDSNet wurden vor Jahrzehnten ausgewählt, als die Sensoren ganz andere Leistungsmerkmale hatten und es in ihrer Nähe viel weniger Infrastruktur gab. Auch wenn an einigen dieser Standorte mittlerweile ein Rauschen vorhanden ist, ist es wichtig, sie weiter zu betreiben, um die Aufzeichnungen über an derselben Stelle auftretende Ereignisse, die Jahrzehnte auseinanderliegen können, zu vergleichen, denn Aufzeichnungen an derselben Stelle können dabei helfen, wiederholt auftretende Ereignisse zu erkennen und die Muster von Seismizität besser zu verstehen. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines Standortes für eine seismische Station ist die Gewährleistung einer angemessenen Sicherheit sowie einer zuverlässigen Stromversorgung und Kommunikation. Bisweilen werden Standorte mit hohem Umgebungsrauschen gewählt, denn es ist wichtig, Erdbeben an einem bestimmten Ort zu messen. So brauchen wir beispielsweise Sensoren in der Nähe von Basel, auch wenn der Rauschpegel dort hoch ist. Um niedrige Rauschpegel über lange Zeiträume gewährleisten zu können (dies ist eine Hauptbedingung für Breitbandsensoren), müssen die Änderungen von Neigung, Temperatur und Druck äusserst niedrig gehalten werden, und die Stationen sollten auf festem Fels eingerichtet werden.

Viele Stationen des SDSNet befinden sich in ehemaligen Militärbunkern und in der Nähe von Talsperren, wo bereits eine hervorragende Infrastruktur existiert, das Niveau bei Sicherheit und Umweltschutz hoch und menschenbedingtes Rauschen häufig gering ist. Natürliche Höhlen und vom Menschen gebaute Tunnel stellen ebenfalls bestens geeignete Standorte dar. Da fester Fels im Alpenvorland mitunter schwierig zu finden ist, werden die Sensoren in 100 bis 150 m tiefen Bohrlöchern oder in flachen Betonkammern platziert.

Die Stationen des SSMNet befinden sich häufig nahe dem Zentrum von Altstädten oder in der Nähe wichtiger Infrastruktur wie Spitäler und Schulen. Diese Sensoren werden ausserhalb von Gebäuden in flachen Betonkammern platziert.

Für jede ins Auge gefasste neue Station werden über einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen kontinuierlich Messungen des seismischen Rauschens durchgeführt, und der Standort wird nur genehmigt, wenn die Rauschbedingungen als annehmbar gelten. Im Alpenvorland, wo dicke Schichten von Sedimentablagerungen und menschenbedingtes Rauschen nicht vermieden werden können, ist mit höheren Rauschpegeln zu rechnen.

Die tägliche Leistung des Netzwerks im Hinblick auf die Rauschspektren bei allen kontinuierlich überwachten Stationen des SDSNet und des SSMNet wird täglich aktualisiert und auf den PQLX-Webseiten veröffentlicht. Weitere Informationen über die lokalen Bedingungen an jedem CHNet-Standort können in der Site Characterization Database for Seismic Stations in Switzerland eingesehen werden.

Die meisten seismischen Daten werden im SED-Datenverarbeitungszentrum an der ETH Zürich gesammelt, das ein Standard-SeedLink-Kommunikationsprotokoll verwendet. Traditionelle Nanometrics-Datenlogger verwenden nach wie vor Nanometrics NAQS, das aber nach und nach ausser Betrieb genommen wird. Die Daten aus den Starkbeben-, Breitband- und kurzperiodischen Stationen werden gegebenenfalls für alle Datenverarbeitungsvorgänge genutzt. Sofern die Signalqualität ausreichend ist, können selbst Starkbebenstationen an Orten mit hohem Rauschen bei der automatischen Lokalisierung von Erdbeben helfen, und alle seismischen Daten im Skalenbereich können für die Erstellung von ShakeMaps verwendet werden.

Um die Robustheit des Systems sicherzustellen und es gegen einzelne Hardwarefehler abzusichern, werden alle erfassten und verarbeiteten Daten an zwei verschiedenen Stellen an der ETH Zürich dupliziert.

Wellenformdaten werden mithilfe von SeisComP3, einer umfassenden, vom GFZ Potsdam entwickelten Erdbebenüberwachungsplattform, in Echtzeit verarbeitet. Diese Software wird auch für manuelle Prüfungen und das abschliessende Management des Erdbebenkatalogs verwendet. Die automatische Erkennung und Bezifferung von Ereignissen (Feststellung von Ort und Magnitude der Ereignisse) ist in der Regel binnen 60 Sekunden abgeschlossen, nachdem es zu einem Erdbeben kam. Aufzeichnungen aller seismischen Ereignisse werden unverzüglich auf der SED-Website veröffentlicht. Sofern das Erdbeben als stark genug gilt, um vor Ort gespürt zu werden, werden Alarmmeldungen an Behörden, Medien und zuständige Wissenschaftler gesendet, die das Ereignis überprüfen und es manuell binnen weniger Minuten lokalisieren. ShakeMaps und Momenttensoren sind auch für grössere Ereignisse verfügbar. Ein 3D-Geschwindigkeitsmodell wird verwendet, um die automatische Lokalisierung seismischer Ereignisse zu verbessern und den endgültigen Erdbebenkatalog zu erstellen.

Hochratige Wellenformdaten werden ständig im Standard-MiniSeed-Format archiviert. Ereignisinformationen und kontinuierliche Wellenformdaten, die vom SDSNet-Netzwerk geliefert werden, sind für die Öffentlichkeit frei zugänglich. Das gesamte digitale Archiv wurde ebenfalls in dieses Format umgewandelt, einschliesslich der nur auf Ereignisse bezogenen Wellenformen aus der Zeit vor 1999 und des seit 1999 geführten vollständigen, lückenlosen Archivs. Alle Daten können auf dem SED-Wellenformportal WebDC3 eingesehen werden. Über das SED-Starkbebenportal kann auf das Wellenformarchiv und auf den Erdbebenkatalog sowie auf die technischen Spitzenwerte zugegriffen werden.

Die Wellenformdaten und Erdbebeninformationen aus der Schweiz werden in Echtzeit seismischen Netzwerken in den Nachbarländern (INGV in Italien, LED in DeutschlandISTerre in Frankreich und ZAMG in Österreich) sowie verschiedenen Stellen in Europa und der Welt (ORFEUS, GFZ, IRIS, EMSC) zur Verfügung gestellt.