Erdbeben dort beobachten, wo sie entstehen

Um herauszufinden, wie Erdbeben entstehen, sich ausbreiten und enden, wurde im BedrettoLab der ETH Zürich eigens ein neuer Seitentunnel gebaut. Er dient als Beobachtungszentrum einer Verwerfung und ist mit zahlreichen Sensoren und Instrumenten ausgestattet – eine weltweit einzigartige Forschungseinrichtung. Der Schweizerische Erdbebendienst (SED) an der ETH Zürich ist sowohl in die Forschung als auch in die Überwachung der seismischen Aktivitäten eingebunden.

Die ETH Zürich hat im BedrettoLab, einem unterirdischen Forschungslabor im Tessin (Schweiz), einen 120 m langen Seitentunnel gebaut. Der neue Tunnel verläuft parallel zu einer sorgfältig ausgesuchten, natürlichen Verwerfungszone. Dank dieser bewusst gewählten Lage können die Forschenden detailliert untersuchen, wie ein Erdbeben an einem bestimmten Punkt einer Verwerfung entsteht und sich entlang dieser ausbreitet, bis seine Energie aufgebraucht ist. Mit spezieller Messtechnik analysiert ein Europäisches Forschungskonsortium unter Beteiligung des SED, wie sich die Verwerfungen bewegen, um Erdbeben besser zu verstehen und vielleicht vorherzusagen. Hinter dem Vorhaben steht das Projekt «Fault Activation and Earthquake Rupture» (FEAR), welches der Europäische Forschungsrat ERC mit 14 Mio. Euro förderte. Ziel des Projekts ist es, zwei der grundlegendsten und bislang ungelösten Fragen der Seismologie zu beantworten: Was geschieht unmittelbar vor dem Beginn eines Erdbebens? Und was bringt es zum Stillstand? Die Forschenden hoffen, mit der Beantwortung dieser Fragen die Grenzen der Vorhersagbarkeit von Erdbeben erweitern zu können.

Ein einzigartiges Beobachtungzentrum auf einer Verwerfung

Um Erdbeben direkt an ihrem Entstehungsort zu untersuchen, erstellte das FEAR-Team zahlreiche Bohrlöcher. Die meisten davon dienen dazu, die Vorgänge im Gestein zu überwachen. Andere werden genutzt, um gezielt Wasser einzuleiten und damit kleinere Erdbeben auszulösen. Die Bohrlöcher sind mit verschiedensten hochsensiblen Sensoren ausgestattet, die zusammen ein neuartiges Beobachtungszentrum auf einer Verwerfung bilden. Die Sensoren sind so empfindlich, dass sie sogar schwächste Erdbeben mit Magnituden von -5 registrieren können. Darüber hinaus messen sie weitere wichtige Parameter wie den Flüssigkeitsdruck in Brüchen, Spannungsänderungen und vieles mehr. Während der gross angelegten Stimulationsexperimente, die das Team derzeit vorbereitet, sollen mehrere hundert Kubikmeter Wasser unter hohem Druck in die Verwerfung eingeleitet werden. Der dadurch erhöhte Flüssigkeitsdruck verringert die vorhandene Spannung auf der Verwerfung, was diese schwächt und sie leichter gleiten lässt. Dieser Reibungsverlust kann Bewegungen der Verwerfung und damit Erdbeben auslösen.

«Eine Beobachtungszentrum auf einer Verwerfung ist das fehlende Puzzleteil in der Erdbebenforschung», sagt Prof. Domenico Giardini, einer der vier leitenden Wissenschaftler des FEAR-Projekts. «Wir verfügen weltweit über herausragende Überwachungsnetze. Allerdings liegen die meisten an der Erdoberfläche und damit mehrere Kilometer vom Erdbebenherd entfernt. Und selbst die wenigen in Bohrlöchern angebrachten Sensoren befinden sich in der Regel nur in der Nähe von Verwerfungen, aber nicht direkt innerhalb derselben.»