Können Erdbeben vorhergesagt werden?

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Können Erdbeben
vorhergesagt werden?
Stefan Wiemer
Schweizerischer Erdbebendienst
ETH Zürich
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Wir befinden uns in
Zürich im Jahre 2035 ….
... und zum Abschluss unserer Nachrichten, der
‚Erdbeben-Wetterbericht‘
für die Woche vom 16 - 22 Juni 2035,
herausgegeben vom
Schweizerischen Erdbebendienst.
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Erdbeben-Wetter Schweiz (16-22. Juni, 2025)
Basel: Wahrscheinlich
Magnitude 3.5 – 4.0
am Mittwoch!
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Wunschtraum oder
Wirklichkeit?
Wo steht die Erdbeben- Vorhersage
- Prognose
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Erdbebenvorhersage, ein schwieriges
Kapitel in den Naturwissenschaften
Bis heute sehr wenig Erfolge, und selbst diese sind in
der Wissenschaft umstritten.
Viele ‚Scharlatane‘ und Pseudo-Wissenschaftler
tummeln sich im Feld der Erdbebenvorhersage.
Die Öffentlichkeit und Presse interessiert sich
brennend für Erdbebenvorhersage. Forscher konnten
ihren Optimismus der 70‘ziger Jahre nicht in
vorzeigbare Erfolge umsetzen.
In den letzen 10 Jahren: Weitverbreiteter Pessimismus.
Ist Erdbebenvorhersage gar prinzipiell unmöglich?
Heute: Neuer Pragmatismus
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Fakten über Erdbeben
Erdbeben töten pro Jahr im Mittel 1o‘000 Menschen
weltweit, davon 1‘000 in Europa. Kosten von
Erdbeben in industrialisierten Ländern erreichen 100
Milliarden $.
Es wird in den nächsten 50 Jahren mit hoher
Wahrscheinlichkeit zumindest ein Erdbeben mit
mehr als 1 Mio. Toten geben.
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Gibt es immer mehr Beben?
Nein, aber sie richten immer häufiger großen Schaden
an, denn die Welt wird immer dichter besiedelt.
Insbesondere in armen Ländern mit schlechter
Bausubstanz sterben deshalb viele Menschen.
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Fakten über Erdbeben
Erdbeben sind anders als andere Naturgefahren
(Hurrikans, Überschwemmungen, Lawinen,
Tsunami, ...) – Eine Warnung ist momentan nicht
möglich.
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Anteile der
verschiedenen
Naturgefahren am
gesamten
gewichteten Risiko
von 15 Mrd. CHF pro
Jahr.
[Katastrophen und Notlagen in der Schweiz, eine vergleichende Übersicht,
(KATANOS), Bundesamt für Zivilschutz, Bern 1995]
Erdbeben
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Aufwendungen für Schutzmassnahmen
in der Schweiz
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Meinungsumfrage:
Was ist die grösste Naturgefahr?
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Alles ist relativ …
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Verschiedene Typen von
Erdbebenvorhersage
Deterministische Vorhersage (Klassische Vorhersage):
Ort, Zeit, und Größe sind genau festgelegt, und das
Beben tritt mit hoher Wahrscheinlichkeit auf.
Evakuation von Städten im
Prinzip möglich, obwohl es
nicht immer sinnvoll sein
mag.
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Verschiedene Typen von
Erdbebenvorhersage
Wahrscheinlichkeitsvorhersage (Prognose): Ort, Zeit, und
Größe sind innerhalb gewisser Unsicherheiten genau festgelegt, das
Beben tritt mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit (die klein sein
kann) auf.
Je nach Wahrscheinlichkeit und
Zeitfenster können gewisse
Vorbeugende Maßnahmen getroffen
werden.
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Warum ist Erdbebenvorhersage so schwierig?
Ein Blick in die Geschichte.
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Erdbebenlegenden
Mexico: El Diablo, ein Gott der Inkas, machte einen
riesigen Riss im Boden, den er und seine Freuende als
Abkürzung benutzen.
Ostafrika: Ein riesiger Fisch trägt einen
Stein auf dem Rücken. Eine Kuh steht auf
dem Stein und traget die Erde auf einem
ihrer Hoerner. Wenn ihr der Nacken
wehtut, wirft sie die Erde von einem Horn
auf das anders – und das sind die
Erdbeben.
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Später: Erdbeben =
göttliche Strafe
1755
1356Lissabon
Basel
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San Francisco, 1906
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1906 San Francisco: Die Wissenschaft nimmt sich ernsthaft
den Erdbeben an: Es schien alles so einfach...
Pazifische
Platte
San Andreas
Verwerfung
Nordamerikanische
Platte
Zaun gebaut
Kurz vor dem Beben:
Spannungsaufbau
Nach dem Beben
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... Plattentektonik ...
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... Plattentektonik ...
... die Kontinente bewegen sich 2-7 cm pro Jahr ...
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Erdbeben Vorläufer
Seismologen hofften insbesondere, dass ErdbebenVorläufer, ein charakteristisches Signal kurz vor dem
Beben, eine deterministische Vorhersage ermöglichen
würden. Viele solche Phänomene wurden vorgeschlagen
und teilweise beobachtet:
Seismische Ruhe
Vorbeben
Deformation
Grundwasserspiegelländerungen
Elektro-magnetische Signale
Grundwassertemperatur
Änderungen der
Wellengeschwindigkeiten
Radon Konzentration
Tierverhalten
‚Erdbebenwolken‘
Viele andere ....
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Multi-parameter
Überwachung einer
Verwerfung sollte
also einen oder
mehrere Vorläufer
entdecken können,
z.B. in Parkfield,
Kalifornien.
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Erdbeben-Vorläufer
Wasserspiegel (cm)
Anomalie begann 3 Tage vor dem Beben
1985, M6.2 Kettleman Hill
Erdbeben
Zeit
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Optimismus
In den 70ziger und frühen 80ziger Jahren
waren die meisten Seismologen überzeugt,
dass eine relevante Erdbebevorhersage
möglich ist.
Natürlich war es auch einfacher
Forschungsgelder zu beantragen, wenn man
versprach, bald Erdbeben vorhersagen zu
können.
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Erfolg No. 1: Haicheng, 1975
Chinesische Wissenschaftler
berichten über eine
erfolgreiche Evakuierung der
Stadt Haicheng Stunden vor
einem Magnitude 7.3 Beben
im Jahre 1975. Viele
Menschenleben wurden
gerettet.
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Der erste Misserfolg
Das Tangshan Erdbeben
in China 1976 (M7.8):
– Keine Vorhersage
– Über 250,000 Tote
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War Haicheng eine echte Vorhersage? Nein!
Chinesische Seismologen waren
unter immensem Druck vom
politischen System Erdbeben
vorherzusagen.
Die Bevölkerung hat anscheinend
selbständig die Häuser verlassen, da
es viele starke Vorbeben gab.
Vorbeben sind das am häufigsten
berichtete Vorläufersignal – aber
man weiß erst nach dem
Hauptbeben mit Sicherheit, dass ein
Beben ein Vorbeben ist.
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Weitere Beben – keine Vorhersagen
1985 Mexico City
1989 Loma Prieta,
Kalifornien
1994 Northridge,
Kalifornien
1995 Kobe, Japan
1999 Izmit, Turkei
1999 Chi Chi,Taiwan
2001 Indien
2003 Iran
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Bruchlänge: Bis zu 1600 km.
Dauer des Bruchs: Knapp 10
Minuten.
Bis zu 10 m Versatz.
Keine Bebenvorläufer
entdeckt, keine Kurzzeit oder Langzeitwarnungen
ausgesprochen.
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Bruchlänge: Bis zu
1600 km.
In Europa: Von
Ostsee bis Sizilien!
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Misserfolg: Parkfield, Kalifornien
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Das „angekündigte“ Beben kam erst in 2004 - 10
Jahre zu spät - und wurde nicht vorhergesagt
Mehr dazu später …
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Pessimismus setzt sich durch in den
90‘gern: Ist Erdbebenvorhersage
gar prinzipiell unmöglich?
Neue Theorien (Fraktale, Chaos) könnten
erklären, warum Erdbebenvorhersage so
schwierig oder unmöglich ist.
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Erdbeben sind komplex
Komplexität der Bruchverteilung
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Tiefe in [km]
1999 Izmit Beben (M 7.6)
5
10
15
20
20
40
60
80
100
120
140
160
Bruchlänge in [km]
200 400 600 800
Verschiebung in [m]
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Warum ist es so schwer Erdbeben
vorherzusagen?
Die Prozesse spielen sich 5-15 km unter unseren Füssen ab (anders
als beim Wetter), deshalb sind nur indirekte Beobachtungen
möglich. Bohrlöcher geben nur punktuell Information – und sind
sehr teuer.
Die Erdkruste ist kein ein einfaches Gummiband, sondern ein sehr
heterogenes und komplexes System. Jedes Beben ist anders.
Beobachtungen sind nur möglich, wenn die Natur für uns ein
Experiment (‚Erdbeben‘) durchführt – aber wir wissen vorher nie
wo und wann das Experiment stattfinden wird.
Eindeutige, immer anzutreffende Vorläufer sind bislang noch nicht
entdeckt worden.
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Können Erdbeben vorhergesagt werden?
Nein! Zur Zeit kann
niemand auf der Welt
Erdbeben verlässlich
vorhersagen – auch
nicht ihr Hund oder ihr
Astrologe.
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Und jetzt ?
Vorsorgen ist besser als vorhersagen?
Strategie der kleinen Schritten statt des
großen Wurfs.
Innovative Ideen sind gefragt!
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Vorsorge (1)
Nicht Erdbeben töten
Menschen, sondern
Häuser!
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Vorsorge (2)
Mit Mehrkosten von weniger als 1% können Gebäude viel
Erdbebensicherer gemacht werden. Klassische Fehler vermeiden!
Brauchen wir eine „black box“ für Häuser?
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Vorsorge (3)
Verbesserte seismische
Gefährdungabschätzung hilft
Ressourcen optimal einzusetzen.
Hier gibt es noch viel zu tun
(Mikrobebenaufzeichnungen,
Mikrozonierungsstudien,
Modellierung, Zeitabhängigkeit
der Seismizität, Abminderung
etc.).
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Historische
Epizenterverteilung
Instrumentelle
Aufzeichnungen
(25 Jahre)
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In der Seismologie sind historische Daten
und Kontinuität extrem wichtig! Sie bilden
die Grundlage (Null Hypothese) jeder
Vorhersageforschung.
Happy Birthday aus Zürich!
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Es gibt noch viel zu tun!
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Meine eigene Forschung
Forecasting Tomorrows
‚Earthquake Weather‘ in
California
An ongoing collaboration
between ETHZ, the Southern
California Earthquake Center
and the US Geological Survey.
Gerstenberger, Wiemer, Jones and Reasenberg, Nature, 2005
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STEP - Short Term Earthquake Probabilities
Testregion: Kalifornien. Aufgrund der hohen Seismizität lassen sich
Modelle dort innert weniger Jahre quantitativ testen.
Partner: Southern California Earthquake Center und US Geological
Survey. Wir sind die einzige nicht-amerikanische Arbeitsgruppe die
eingeladen wurde zum neuen Kalifornischen Gefährdungsmodell
beizutragen.
Novum: Detaillierte Nachbeben- und Vorbebenwahrscheinlichkeiten, integriert in standardisierte seismische
Gefährdungskarten.
Ziel: Das ‘Erdbebenwetter’ der nächsten 24 Stunden, stündlich
erstellt und im Internet abrufbar.
Grundlagen: Erdbeben ‘clustern’ räumlich und zeitlich (Nachbeben,
Vorbeben, Schwärme).
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Das “Erdbebenwetter” in
Kalifornien am 23. Mai 2003
Tägliche Wahrscheinlichkeit
einer Bodenbewegung ≥ MMI VI
10-6
+
10-3 10-1
=
M 4.2,
vor 6
Stunden
„Echo” von
Landers/Hector
(1992/1999)
Hintergrund
zeitabhängig
Summe
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Tägliche Wahrscheinlichkeit
einer Bodenbewegung ≥ MMI VI
10-6
10-3 10-1
M 4.2, 6 hours ago
Halo of Loma Prieta
(1989!)
Halo of
Landers/Hector
Swarms of M4
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Die Gefährdung ändert
sich mit der Zeit.
Tag 3
Tag 14
Tag 30
http://pasadena.wr.usgs.gov/step/
Komplexität der Bruchverteilung
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Die Verteilung der Verschiebung (Beispiel: 199, Izmit Beben,
Türkei) in einem Erdbeben ist entscheidend für die Verteilung des
Schadens mitverantwortlich
Kann man diese Verteilung der Verschiebung aus der
Mikroseismizitaet der vorherigen Jahre vorhersagen?
Tiefe in [km]
1999 Izmit Beben (M 7.6)
5
10
15
20
20
40
60
80
100
120
140
160
Bruchlänge in [km]
200 400 600 800
Verschiebung in [m]
Der b-Wert als Spannungsmeter
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Magnituden- Größen Verteilung der Mikrobeben in
Kalifornien
Gutenberg-Richter
(1944):
Cumulative Number
Mc
4
10
log10N = a - bM
2
10
b: Steigung
a: Produktivität
b-value = 0.985 +/- 0.003,
0
10
0
1
2
3 4 5
Magnitude
6
7
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Parkfield, Kalifornien
10.000 Mikrobeben
3
B
Kumulative Anzahl
10
Der b-wert in ‘asperities’
ist signifikant niedriger
als in anderen Teilen
der Verwerfung
b=1.35+/-0.1
2
10
1
10
b=0.47+/-0.03
A
0
10
1966 Bruch
NW
B
: 1966 M6 Beben
A
1
2
3
4
Magnitude
SE
5
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Schorlemmer & Wiemer, Nature, 2005
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Slip Verteilung
Schorlemmer & Wiemer, Nature, 2005
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Slip Verteilung
Nachbeben
Schorlemmer & Wiemer, Nature, 2005
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Slip Verteilung
Nachbeben
Der b-wert ist invers proportional zur angelegten Scherspannung.
b-werte Kartierungen können somit mithelfen, zukünftige
Bruchzonen zu identifizieren und zu charakterisieren.
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Der b-wert ist invers proportional zur angelegten
Scherspannung. b-werte Kartierungen können somit
mithelfen, zukünftige Bruchzonen zu identifizieren und zu
charakterisieren.
Gute Übereinstimmung mit Labormessungen.
David Amitrano, JGR, 2003
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Meine persönliche Vorhersage
In den nächsten 25 Jahren werden Seismologen in der
Lage sein, das Erdbebenrisiko immer genauer
einzuschätzen. Gebäude können zunehmend
erdbebensicherer gemacht werden – aber das ist mehr
eine politische Entscheidung
Wahrscheinlichkeitsvorhersagen (‚Erdbebenwetter‘)
werden zunehmend besser werden. Für einige wenigen
Beben werden erfolgreiche deterministische
Vorhersagen gemacht werden.
Sicher ist: So manches großes Beben wird auftreten
ohne dass es vorhergesagt wurde.
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Ende
Hayward Fault
(1981 – 1999)
Mapping TL identifies the
highest probability for an
M6+ mainshock near the
city of Hayward.
TL (M6)
Higher probability
Vorsorge (4)
Annual probability of exceedance
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10
10
10
10
-1
-2
Probability: 0.002 (500 years)
-3
-4
Ground Motion
10
1
10
2
Spectral acceleration (cm/s2)
3
10
Vorsorge (5)
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Annual probability of exceedance
Example: Earthquake Hazard Curve Sion
10
10
10
10
10
10
0
Median Hazard
(50 Percentile)
-1
Mean Hazard
-2
+/- 1 Standardabweichung
-3
+/- 2 Standardabweichungen
-4
-5
10
1
10
2
10
3
10
4
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Vorsorge (6)