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Erdbebenanalyse

Die Sektion «Erdbebenanalyse» beschäftigt sich mit der Analyse und Interpretation der aufgezeichneten Wellenformen und von Erdbeben. Die vom SED und anderen seismologischen Diensten aufgezeichneten Daten dienen zahlreichen Forschungs- und Dienstleistungsprojekten als Ausgangspunkt. Zum Beispiel sind diese Daten wesentlich, um die Struktur und den Aufbau der Alpen und des alpinen Vorlandes zu analysieren, Verwerfungen zu charakterisieren, die intrinsische Physik, die Erdbeben verursacht sowie die Statistik von Erdbeben zu verstehen, oder um die Vorhersagefähigkeit von Erdbeben zu verbessern, aber auch für die Unterscheidung von natürlichen und induzierten Erdbeben, inklusive nuklearer Explosionen.

Die Sektion «Erdbebenanalyse» ist unterteilt in vier Forschungsgruppen, die zum Teil eigenständige aber oftmals auch gruppenübergreifende Fragestellungen bearbeiten. Leiter der Sektion ist Prof. Dr. Stefan Wiemer.

Die Forschungsgruppe «Induzierte Erdbeben» wird derzeit von Dr. Antonio P. Rinaldi geleitet und beschäftigt sich hauptsächlich mit der Überwachung, dem Verständnis und der Gefährdungsabschätzung von menschengemachten Erdbeben. Induzierte Erdbeben sind weltweit ein zunehmend diskutiertes Thema, da zahlreiche menschliche Eingriffe in den Untergrund Erdbeben auslösen können. In der Schweiz sind induzierte Beben hauptsächlich im Zusammenhang mit Geothermieprojekten bekannt. In Basel löste unter hohem Druck in den Untergrund eingepresstes Wasser im Jahr 2006 ein Erdbeben mit einer Magnitude von 3.4 aus. 2013 ereignete sich bei St. Gallen ein Magnitude 3.5 Beben.

Aber auch bei anderen Untergrundnutzungen werden Erdbeben ausgelöst. So zum Beispiel beim Einpressen von CO2 oder Abwässern, bei der konventionellen und unkonventionellen Förderung von Erdöl / Erdgas mittels Fracking oder im Berg- und Tunnelbau. Zudem können menschgemachte Veränderungen an der Erdoberfläche Erdbeben auslösen, beispielsweise wenn Stauseen das erste Mal mit Wasser befüllt werden.

Die Forschungsgruppe induzierte Beben hat mit Hilfe vom lokalen seismischen Netzwerken zahlreiche Erdbebensequenzen überwacht (z. B. St Gallen, Basel, Island), zum Teil in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Energie und EnergieSchweiz (siehe Geobest-CH). In enger Zusammenarbeit mit dem SCCER-SoE werden Methoden zur Abschätzung und zur Minimierung des seismischen Risikos von geothermischen Kraftwerken entwickelt. In den Jahren 2015, 2017 und 2019 hat die Gruppe einen internationalen Workshop mit mehr als 150 Teilnehmern zum Thema indizierte Erdbeben auf der Schatzalp in Davos organisiert.

Die Forschungsgruppe «Statistische Seismologie» wird von Prof. Dr. Stefan Wiemer geleitet und untersucht, wie mit Hilfe von statistischen Methoden das Verständnis und die Vorhersage von Erdbeben verbessert werden kann. Die Mitglieder dieser Arbeitsgruppe beschäftigen sich beispielsweise mit dem Erstellen und dem systematischen Testen von Erdbebenvorhersagemodellen. Solche Modelle versuchen die beobachteten zeitlichen und räumlichen Muster in der Seismizität so genau wie möglich abbilden und daraus eine Vorhersage der Bebenaktivität der nächsten Tage, Monate oder Jahrzehnte zu erstellen. Statistische Analysen von Erdbebenkatalogen aus der ganzen Welt erlauben es auch Rückschlüsse auf die Seismotektonik zu ziehen, beispielsweise auf den Ursprung von Magma unter Vulkanen, die Spannungsverteilung in der Erdkruste, die Abklingrate von Nachbebensequenzen oder die Ausbreitung von Flüssigkeiten. Ein wichtiges Element der Forschung ist es auch, die Qualität und Homogenität von Erdbebenkatalogen zu überprüfen und stetig zu verbessern.

Die Forschungsgruppe «Labor-Seismologie» wird von Dr. Paul Selvadurai geleitet und konzentriert sich auf das Verständnis grundlegender Fragen über physikalische Vorgänge, die zu Erdbeben führen. Obwohl viele Menschen glauben, dass die von ihnen gespürte Bodenerschütterung das Erdbeben ist, handelt es sich in Wahrheit um eine Nebenerscheinung, die auftritt, wenn der Untergrund plötzlich bricht oder reisst. Ein Rissereignis ist das Erdbeben und verantwortlich für die spürbare Erschütterung. Solche Ereignisse entstehen in schwächeren Abschnitten im Erdinneren, die als Verwerfungen bezeichnet werden.

Wenn ein Riss eine Verwerfung bricht, wird diese rasch grösser und sendet Erschütterungswellen aus – ein Verhalten, das von der Reibungsphysik gesteuert wird. Die Reibung ist jedoch noch nicht vollständig erforscht und erfordert sorgfältige Laborexperimente, um grundlegende Fragen zu untersuchen, wie beispielsweise: Wie entstehen Erdbeben? Warum erfolgt plötzlich ein Erdbeben? Welche physikalischen Bedingungen bestimmen, wie stark es wird? Und wann hört es auf? Zur Klärung dieser Fragen verwenden wir modernste Laboreinrichtungen (Rock Physics and Mechanics Lab und LabQuake) und an der ETH entwickelte Sensoren. Mit einem vertieften Verständnis sind wir besser in der Lage, präzisere Prognosen für destruktive natürliche Erdbeben zu erstellen. Unsere Forschung erstreckt sich auch auf den Nutzen und die gesellschaftliche Akzeptanz von Erdwärmeanwendungen wie die Nutzung der Tiefengeothermie.

Die Forschungsgruppe «Seismische Gefährdung und Risikomodellierung» strebt richtungsweisende Forschung und Erkenntnisse im Bereich der Erdbebengefahren an. Ihre Kompetenzen und Kernaktivitäten umfassen die Entwicklung seismischer Gefahren- und Risikomodelle, probabilistische seismische Gefährdungs- und Risikoanalysen, die Erstellung wesentlicher Modellkomponenten (d. h. Erdbebenkataloge, Modelle aktiver Verwerfungen, seismogene Quellmodelle, Prognose von Erdbebenraten, Modelle zur Charakterisierung von Bodenbewegungen, Exponiertheit, Anfälligkeit der bebauten Umgebung, Folgenmodelle), die Quantifizierung von Unsicherheiten, technische Integration und Softwareentwicklung.

Die Forschungsgruppe ist an verschiedenen nationalen und internationalen Forschungskooperationen beteiligt, wie z. B. dem Erdbebenrisikomodell für die Schweiz 2022 und dem European Seismic Hazard and Risk Model (www.sera-eu.org). Die Gruppe arbeitet eng mit der GEM Foundation Pavia zusammen, um zur Arbeit von Global Earthquake Model und der Entwicklung der OpenQuake-Software beizutragen. Auf regionaler Ebene beteiligt sich die Forschungsgruppe aktiv an der Entwicklung und der Pflege der Webplattform der European Facilities for Earthquake Hazard and Risk (www.efehr.org). Die Plattform liefert Informationen zu Erdbebengefährdungs- und Risikomodellen in der Schweiz (SuiHaz15), in Europa (ESHM13) und im Nahen Osten (EMME14). Für weitere Informationen zur Forschungsgruppe wenden Sie sich bitte an Dr. Laurentiu Danciu.

Die Forschungsgruppe «Seismische Interferometrie und Bildgebung» wird von Dr. Anne Obermann geleitet. Der Begriff seismische Interferometrie bezeichnet das Verfahren, seismische Reaktionen, die mit virtuellen Quellen verbunden sind, durch Kreuzkorrelierung von seismischen Wellenfeldern zu rekonstruieren, die an verschiedenen Empfängerstandorten aufgezeichnet wurden.

Diese Reaktionen werden dann verwendet, um Bilder von der Geschwindigkeits- und Streuungsverteilung des Untergrunds zu erstellen. Man nutzt die direkten Wellen zur statischen Abbildung der Geschwindigkeitsstruktur des Untergrunds (3D-Tomographie). Die Empfindlichkeit einer direkten Welle für geringfügige Schwankungen der physikalischen Eigenschaften ist jedoch oft begrenzt. Wenn die dynamische Entwicklung des Untergrunds überwacht werden soll, konzentriert sich ein grosser Teil der Arbeit auf die rekonstruierten seismischen Codawellen. Ähnlich wie die Coda von Erdbeben resultieren diese langanhaltenden Schweife in den Korrelogrammen aus der Zerstreuung der Wellenenergie an den Ungleichmässigkeiten der Erde. Die sich wandelnden Zielbereiche – z. B. Magmakammern, Verwerfungsgebiete, Lagerstätten usw. – generieren bisweilen nur geringfügige Spannungs- oder Dichtestörungen im Ausbreitungsmedium. Solche Störungen lassen sich in Form von Phasenverschiebungen oder Wellenformänderungen mithilfe der hochempfindlichen seismischen Codawellen erkennen.

Nicht nur die zeitliche Entwicklung der Veränderungen ist von Interesse, sondern auch deren räumliche Verteilung innerhalb des Mediums. Die räumliche Verteilung der Veränderungen unter Nutzung von Codawellen zu ermitteln, ist angesichts der Komplexität der mehrfach gestreuten Wellenpfade kein einfaches Unterfangen. Die Forschungsgruppe hat einen probabilistischen 3D-Sensitivitätskernel entwickelt, um die durch die Veränderungen des Mediums bewirkten Wellenformstörungen zu modellieren.

Zurzeit überträgt die Gruppe diese Methoden auf den Massstab von Untergrundfelslaboren.