Kein Tag vergeht, an dem nicht irgendwo auf unserem Planeten der ansonsten feste Boden zu schwanken und zu zittern begänne. Meist sind es nur leichte Erschütterungen, die Menschen in Angst und Schrecken versetzen, oft jedoch sind Opfer und Sachschäden zu beklagen; und nahezu jedes Jahr ereignen sich Katastrophen gewaltigen Ausmaßes mit mehreren tausend oder zehntausend Toten – wie 1988 in Spitak (Armenien), 1990 in Manjil (Iran), 1992 in Erzincan (Türkei) und 1993 in Indien.

Gemessen an der Berichterstattung in den Medien scheinen Erdbeben an Häufigkeit und Stärke zuzunehmen. Phasen unterschiedlicher tektonischer Aktivität hat es im Laufe der Erdgeschichte zwar immer wieder gegeben; indes hat der heute wahrgenommene Anstieg andere Gründe: Zum einen erreichen uns Fernsehaufnahmen via Satellit aus jedem Winkel der Erde, und das inzwischen weltumspannende Netz von Seismometern registriert selbst schwache Erschütterungen. Zum anderen ist die wahre Ursache für die Schwere der Verwüstungen der Mensch selbst. Die rasant steigende Bevölkerungsdichte und die oftmals ohne notwendige Kontrolle erfolgte Besiedelung gefährdeter Regionen tragen zu höherer Verwundbarkeit bei.

Erdbeben werden sich auch künftig nicht verhindern lassen; vom Verhalten des Menschen aber wird es abhängen, welche Ausmaße ihre Folgen annehmen. Was kann man tun?


Dilemma der Erdbebenvorhersage

Die oftmals verheerenden Folgen von Erdbeben ließen sich verringern, wenn man deren Ort, Zeitpunkt und Stärke zuverlässig vorhersagen könnte – doch dafür fehlt die wissenschaftliche Basis. Mitunter treten zwar sogenannte Vorläuferphänomene auf wie zum Beispiel schwächere Erschütterungen, Bodenverschiebungen, Veränderungen des Grundwassers, Austritt von Edelgasen oder auch lokale Änderungen des elektrischen und magnetischen Feldes der Erde; sie lassen sich aber erst im nachhinein als Vorboten interpretieren, denn sie weisen kein bestimmtes Muster auf, aus dem man auf eine kurz bevorstehende Katastrophe schließen könnte. Derartige Phänomene treten häufig auf, ohne daß Beben folgen. Wollte man jedesmal die Bevölkerung warnen und evakuieren, entstünden enorme wirtschaftliche Schäden sowie soziale und psychische Folgen, die nicht zu rechtfertigen wären.

Alle schweren Beben der vergangenen Jahre kamen unerwartet. Kalifornien zum Beispiel verfügt als besonders gefährdetes Gebiet über ein dichtes Netz von Meß- und Beobachtungsstationen; dennoch waren die schweren Beben in Loma Prieta 1989 sowie das in Los Angeles im Januar dieses Jahres an keinerlei Anzeichen zu erkennen gewesen. Völlig illusorisch wird eine Vorhersage wegen des Umstandes, daß die meisten schweren Erdbeben an Orten auftreten, wo sie nach vorherrschender Lehrmeinung nicht zu erwarten seien: weit entfernt von den als besonders gefährdet angesehenen tektonischen Plattenrändern.


Von der Platten- zur Konvektionstektonik

Der konventionellen Vorstellung der Plattentektonik zufolge besteht die äußere Gesteinsschale der Erde aus einer Anzahl festgefügter Schollen, die auf dem zähflüssigen Erdmantel schwimmen und sich langsam gegeneinander bewegen. Unter dem Einfluß enormer Kräfte laufen dabei an den Plattengrenzen vielfältige tektonische Prozesse ab, mit denen eine rege Erdbeben- und Vulkanaktivität verbunden ist. In diesem einfachen Bild lassen sich allerdings tektonische Vorgänge innerhalb der Kontinente nur schwer verstehen. Auch die neuesten Erkenntnisse über die dynamischen Abläufe im Erdinnern erfordern eine umfassendere Theorie.

Aus heutiger Sicht rührt die globale Tektonik von gewaltigen thermischen Konvektionsströmen her, die offensichtlich von der Kern-Mantel-Grenze ausgehen (Spektrum der Wissenschaft, Juli 1993, Seite 48, sowie Mai 1994, Seite 54). Die Böden der Ozeane sind dabei Teil des aufströmenden Mantelmaterials, das sich oberflächlich nur vorübergehend verfestigt und ein Alter von maximal 180 Millionen Jahren erreicht, bevor es wieder in die Tiefe abtaucht und erneut aufschmilzt. Die Kontinentalblöcke hingegen sind quasi chemische Ausscheidungsprodukte des Erdmantels, die sich in ihren Kernen bereits vor mehr als vier Milliarden Jahren gebildet haben und in eine Tiefe bis etwa 400 Kilometern reichen. Sie stören die großräumige Mantelkonvektion und verursachen Wirbel. Die Gesamtheit der Mantelströme beeinflußt die tektonischen Vorgänge nicht nur an den Plattenrändern, sondern auch in den zentralen Teilen der Kontinente.

Auf dieser Basis hat einer von uns (Vogel) das Modell der sogenannten Konvektionstektonik entwickelt, das über die bisherige Vorstellung hinausgehend die Gesamtheit und Komplexität geotektonischer Abläufe in erdgeschichtlicher Zeit bis hin zur Gegenwart zu erklären vermag. Aus dieser Sicht wird die globale Häufigkeitsverteilung der Erdbebenherde verständlich. Trägt man die im Laufe einiger Jahre registrierten Beben in einer Weltkarte ein, findet man schmale, ausgeprägte Zonen, welche die Plattenränder markieren – die mittelozeanischen Schwellen, an denen fortwährend neuer Meeresboden entsteht, und die Subduktionszonen an den Rändern der Kontinente, an denen die ozeanische Kruste abtaucht (Bild 1). Die relativ jungen Ozeanböden bestehen aus weichem Gestein. Folglich vermögen die Kräfte aus dem Erdinnern nur geringe elastische Spannungen in ihnen aufzubauen, so daß es in relativ kurzen Intervallen zum Bruch und damit zur Auslösung von Erdbeben kommt.

Die alten Gesteinsblöcke der Kontinente hingegen haben eine hohe Festigkeit. Demzufolge bauen sich in ihnen unter dem Einfluß der Mantelkonvektion gewaltige Spannungen auf, die sich erst in entsprechend längeren Abständen von Hunderten, Tausenden oder gar Zehntausenden und mehr Jahren entladen. Das räumliche und zeitliche Muster ihres Auftretens ist wegen der kurzen Zeit instrumenteller Beobachtungen noch weitgehend unbekannt (Spektrum der Wissenschaft, Mai 1990, Seite 84).

Dieses Modell vermag die unerwarteten, äußerst starken Erdbeben fernab der Plattengrenzen in Ländern wie China, Armenien, Indien, Australien und auch inmitten der Vereinigten Staaten zu erklären, wo sich das wahrscheinlich stärkste Erdbeben des vorigen Jahrhunderts ereignet hat. Will man eine Art Risikoanalyse für die Zukunft vornehmen, auf deren Basis Schutzmaßnahmen ergriffen werden sollen, sind über kurze Zeiträume erstellte Karten wie in Bild 1 irreführend; ein eingehenderes Verständnis kontinentaler Tektonik ist erforderlich.


Grundlagen und Strategie

Schon heute ließe sich das Ausmaß von Erdbebenkatastrophen wesentlich verringern, wenn vorhandene wissenschaftliche Erkenntnisse und technologisches Know-how in effektiver Weise in die Bereiche des Erdbebenschutzes und der Katastrophenvorbeugung übertragen werden könnten. Dazu bedarf es eines zukunftsorientierten Denkens und Handelns. Die von künftig zu erwartenden Beben ausgehende Gefährdung von Mensch und Zivilisationseinrichtungen gilt es zu erkennen sowie Schutz- und Vorbeugemaßnahmen zu treffen. Dies sind die Aufgaben der Erdbebenprognostik; um sie zu erfüllen, versucht man in interdisziplinärer Verknüpfung grundlegende Forschung und praktische Maßnahmen zu vereinen.

Das Konzept der Erdbebenprognostik hat eine Berliner Projektgruppe – zu der sich Wissenschaftler der Freien Universität, der Technischen Universität und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung sowie Vertreter der freien Wirtschaft zusammengeschlossen haben – in den achtziger Jahren entwickelt. Auf mehreren internationalen Seminaren ist es gemeinsam mit Experten aus verschiedenen betroffenen Regionen der Erde nach und nach in eine geschlossene Gesamtstrategie zur Abwehr drohender Erdbebenkatastrophen weiterentwickelt worden (Bild 2). Manche Länder wie beispielsweise der Iran, dessen nordwestliches Territorium 1990 durch Erdstöße schwer verwüstet wurde, bemühen sich nun in konkreter Weise um ein umfassendes nationales Programm zur Abwehr künftiger Katastrophen im Sinne dieser Strategie.

Grundlage der Erdbebenprognostik sind eingehende Untersuchungen der geodynamischen Prozesse, welche die Erschütterungen auslösen. Daraus versucht man das Gefahrenpotential abzuschätzen und eine Risikoanalyse anzufertigen, aus der wiederum erforderliche Vorbeuge- und Schutzmaßnahmen abgeleitet werden.


Geodynamische Prozesse

Um die Vorgänge in Erdbebenherden verstehen zu können, muß das seismotektonische Muster bekannt sein, also die Beziehung zwischen dem Auftreten von Erdbeben und erkennbaren Bruchstrukturen. Das Kartieren von aktiven Bruchzonen erfolgt unmittelbar im Gelände oder anhand von Luftaufnahmen und Satellitenbildern.

Wegen der langen Wiederholungszeit kontinentaler Beben bedarf es zum Erfassen der Seismizität nicht nur instrumenteller Aufzeichnungen, sondern auch geschichtlicher Dokumente und archäologischer Zeugnisse. Von besonderer Bedeutung ist zudem die Kenntnis der Erdbebenaktivität in vorgeschichtlicher Zeit; da aber Bruchzonen im Laufe der Jahrtausende vernarben, sind eingehende geologische Untersuchungen des Untergrunds erforderlich, um sie zu erkennen.

Der Aufbau von Spannungen im Gestein, die letztlich die Ursache von Erdbeben sind, läßt sich nicht direkt beobachten. Auf ihre Akkumulation muß man anhand sekundärer Effekte schließen wie zum Beispiel der zeitlichen Änderung von Gesteinseigenschaften und damit verbunden der Variation physikalischer Felder, die sich messen lassen.

Verformungen und Verschiebungen der Erdkruste sind ein weiteres wichtiges Indiz für dynamische Vorgänge in Erdbebenherden. Um sie zu erfassen, setzt man heute für geodätische Wiederholungsmessungen verstärkt auch Satelliten ein.

Mit all diesen Verfahren werden in Herdgebieten Vorläuferphänomene beobachtet und interpretiert. Die Erkenntnisse dienen jedoch nicht dem zweifelhaften Versuch, Erdbeben vorherzusagen, sondern sie tragen erheblich zum Verständnis der geodynamischen Vorgänge in Herdgebieten bei.


Gefahreneinschätzung und Risikoanalyse

Um Gebäude absichern zu können, ist es nicht so wichtig zu wissen, wann genau das nächste große Beben auftritt. Vielmehr benötigen Bauingenieure Angaben über Stärke und Charakteristik der größten Bodenerschütterungen, die während der Gebrauchsdauer eines Bauwerks zu erwarten sind. Wesentliche Grundlage für die Gefahrenabschätzung ist daher eine Analyse der Auswirkungen früherer Beben. Darauf aufbauend berechnet man dann die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten maximaler Intensitäten und Bodenbeschleunigungen im Falle künftiger Beben. Bei Kenntnis der Prozesse in Erdbebenherden lassen sich Annahmen machen über Herdmechanismen, Energieabstrahlung und – aufgrund der zunehmenden Kenntnis über den Aufbau der Erdkruste – auch über die Ausbreitung der die Schäden verursachenden Erdbebenwellen. Von besonderer Bedeutung für die Stärke und das Frequenzspektrum der auf Bauwerke einwirkenden Bodenbewegungen an einem bestimmten Ort sind Verstärkungs- und Resonanzerscheinungen des lokalen Untergrunds (Bild 3).

Mit diesen Daten läßt sich anschließend die Einwirkung von Bodenerschütterungen auf Bauwerke im Computer simulieren; damit einher geht eine praktische Prüfung von Bauelementen auf Rütteltischen, wie sie überall auf der Welt üblich ist. Daraus lassen sich dann sogenannte Erdbebenszenarios erstellen, also Abschätzungen der zu erwartenden Schäden und der Verluste für den Fall, daß ein Beben vorgegebener Stärke eine bestimmte Stadt oder Region heimsucht. Ebenfalls bei der Gefährdungsanalyse zu berücksichtigen sind sekundäre Effekte wie der Verlust der Tragfähigkeit des Gebäudeuntergrundes durch erschütterungsbedingte Bodenverflüssigung und Erdrutsche.


Vorbeugende Maßnahmen

Von den vielfältigen Schutzmaßnahmen hat vor allem der gezielte Entwurf der tragenden Konstruktionen von Gebäuden, durch den ein genau berechenbares Bewegungsmuster bei seismischer Anregung vorgegeben wird, hohe vorbeugende Wirkung. Der Ingenieur muß dabei nicht nur die Gesamtkonstruktion geschickt auswählen, sondern auch im konstruktiven Detail gewährleisten, daß nur jene Teile überlastet werden, die durch irreversibles Verformen Bewegungsenergie verzehren und so die Erschütterungen nachhaltig dämpfen. Bisher hat man das Verhalten von Konstruktionen überwiegend an Modellen auf Rütteltischen untersucht. Erst in den letzten Jahren setzt sich eine zeitlich verlangsamte sogenannte quasidynamische Versuchsmethode durch. Konstruktive Details lassen sich damit viel einfacher experimentell untersuchen (Bild 4).

Diese Art von genau abgestimmten Festigkeitseigenschaften werden heute ebenso unter dem Begriff intelligente Konstruktionen subsumiert wie die bewährte Basisisolierung durch Federn und Dämpfer, mit der sich Gebäude teilweise von den Bodenbewegungen abkoppeln lassen. Hinzu kommen aktiv arbeitende Systeme, die der Erdbebenanregung im Gebäude entgegenwirken, vergleichbar den Schlingertanks in Schiffen, die von Computern gesteuert werden.

Derartige Maßnahmen empfehlen sich hauptsächlich für Neubauten; in vielen Ländern ist aber auch für bestehende Gebäude eine Erhöhung der Erdbebensicherheit durch konstruktive Verstärkungen dringend geboten – allzuoft ist die hohe Anzahl von Toten und Verletzten bei Erdbebenkatastrophen auf den Einsturz von Gebäuden mit unzulänglicher Bauweise zurückzuführen.

Eine weitere Schutzmaßnahme sind Akutwarnsysteme. Sie bestehen aus einem Netz von Seismometern, die beim Registrieren der schwachen Primärwellen von Erdbeben sofort einen zentralen Computer verständigen, der dann über Radiosignale nahegelegene Kraftwerke abschalten, die Produktion gefährdeter Fabrikanlagen stoppen, Hochgeschwindigkeitsverkehrsmittel anhalten und Gasleitungen absperren läßt – wenige Sekunden bevor die langsameren Scherwellen ankommen und ihre zerstörerische Wirkung entfalten können.

Zukunftsweisend sind auch sogenannte intelligente Katastrophen-Management-Systeme, die ebenfalls aus einem Seismometernetz bestehen. Ein Zentralcomputer berechnet unmittelbar nach einem Beben die Herdparameter und vermittelt unter Rückgriff auf gespeicherte Katastrophenpläne bereits Minuten später Instruktionen für erforderliche Hilfsmaßnahmen an die zuständigen Behörden und Verhaltensmaßregeln an die Bevölkerung.

Ein gewisser Schutz zwar nicht vor einem Erdbeben, aber doch vor dem daraus folgenden materiellen Schaden bietet der Abschluß einer Erdbebenversicherung für den privaten, industriellen und wirtschaftlichen Bereich. Allerdings bereiten die Abschätzung des Schadenpotentials und die Regulierung eventueller Schäden den Versicherungsgesellschaften einiges Kopfzerbrechen. Die Höhe von Versicherungsrücklagen, die Prämienberechnung, Tarifgestaltung, Selbstbeteiligung und Haftungsbegrenzung unterliegen äußerst schwer bestimmbaren Faktoren. In dieser Hinsicht weist der gesamtheitliche Ansatz der Erdbebenprognostik den Versicherungsgesellschaften einen systematischen Weg zu einer verbesserten Kalkulierbarkeit des Erdbebenrisikos.


Umsetzung in die Praxis

Bei einem Expertenseminar 1991 im Japanisch-Deutschen Zentrum in Berlin haben Vertreter aus etwa 30 Ländern eine internationale Kommission für Erdbebenprognostik gebildet, die unter Leitung eines Lenkungsausschusses die künftigen Aktivitäten weltweit organisieren und koordinieren soll. Wichtigste Aufgabe ist das Erarbeiten einer Logistik im Sinne eines Aktionsplanes, der unter Einsatz von Expertensystemen und durch die Implementierung von Datenbanken die Voraussetzungen schafft für einen raschen Transfer von wissenschaftlichen Erkenntnissen und technologischem Know-how in die Praxis des Katastrophenschutzes.

Während eines weiteren Seminars im asiatischen Zentrum für Katastrophenvorbeugung in Bangkok 1992 wurden insbesondere konkrete Maßnahmen zur Umsetzung der Erdbebenprognostik in die Praxis vorgeschlagen. Dazu zählen Trainingskurse, die es Teilnehmern aus Entwicklungsländern ermöglichen sollen, an den Expertenseminaren teilzunehmen und damit neueste Erkenntnisse und modernes technologisches Know-how in ihre Länder zu übertragen und für den Aufbau nationaler Katastrophenschutzprogramme nutzbar zu machen. Zudem sollen in Testgebieten – zunächst in China und Zentralamerika – erdbebendynamische Überwachungssysteme aufgebaut werden. Auch der Entwurf eines erdbebensicheren und für den Katastrophenfall optimal ausgestatteten Modell-Krankenhauses ist vorgesehen.

Ebenfalls auf das Seminar in Bangkok geht der Vorschlag zurück, in Berlin ein internationales Zentrum für Erdbebenprognostik einzurichten, das Forschung betreiben und insbesondere Dokumentationen sammeln und Datenbanken einrichten soll. Des weiteren soll es Sekretariatsarbeiten übernehmen, Wissenschaftlern und Experten aus verschiedensten Disziplinen als Stätte der Begegnung und des gemeinsamen Arbeitens dienen sowie die weltweiten Aktionen wie Expertenseminare, Trainingskurse, Ausstellungen und konkrete Projekte koordinieren und leiten. Dieses Zentrum wird derzeit mit Unterstützung deutscher Regierungs- und Berliner Senatsstellen sowie unter Mitwirkung der Privatwirtschaft aufgebaut.

Literaturhinweise


– Struktur und Dynamik der Kern-Mantel-Grenze. Von Andreas Vogel in: Physik in unserer Zeit, Band 23, Heft 3, Seiten 111 bis 120 (1992).

– Convection Tectonics – Global Tectonics in the Light of Mantle-wide Convection. Von Andreas Vogel in: Rhenohercynian and Subvariscan Fold Belts. Earth Evolution Sciences, Vieweg, Braunschweig 1993, Seiten 5 bis 44.

– Earthquake Prognostics – Hasard Assessment, Risk Evaluation and Damage Prevention. Von Andreas Vogel und Klaus Brandes in: Progress in Earthquake Research and Engineering, Vieweg, Braunschweig 1988.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1994, Seite 114
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