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Seismische Überwachung von Steinschlägen und Hangrutschungen kann Menschenleben schützen

Visualisierung der Einschlagorte von Felsmassen am Hang durch seismische Methoden (Abbildung: M. Dietze/K. Cook, GFZ)

Hangrutschungen und Steinschläge stellen eine beträchtliche Naturgefahr in Bergregionen dar. Eine Demonstration der Zerstörungskraft dieser Prozesse war die Katastrophe in der kolumbianischen Stadt Mocoa Ende März 2017. Eine größere Zahl von Einzelrutschungen im Hinterland vereinte sich zu einer gewaltigen Lawine aus Schutt und Schlamm, die große Teile der Stadt Mocoa überflutete und mehr als 300 Menschenleben forderte. Um das Risiko eines derart katastrophalen Ereignisses verhindern zu können, müssen die dahinter stehenden Prozesse besser verstanden werden. In einem aktuellen Projekt in der Schweiz erforscht ein Team der GFZ-Sektion Geomorphologie um Michael Dietze den Zusammenhang zwischen den Ursachen von Steinschlägen und dem Zeitpunkt ihrer Entstehung. Erste Ergebnisse veröffentlichte das Team nun in der Fachzeitschrift Earth Surface Dynamics.

Auf einer Fläche von insgesamt etwa zwei Quadratkilometern im Lauterbrunnental im Berner Oberland in den Schweizer Alpen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlerzwischen Herbst 2014 und Frühling 2015 49 Steinschläge untersucht. Durch zeitlich hoch aufgelöste seismische Messungen gelang es den WissenschaftlerInnen, den Zeitpunkt der Auslösung eines Ereignisses auf die Sekunde genau zu bestimmen. Mit dem Wissen um den genauen Zeitpunkt konnten sie die hinter den Gesteinsbewegungen am Hang stehenden, auslösenden Faktoren untersuchen.

Steinschlägeseismisch überwachen und klassifizieren

Steinschläge sind ein geomorphologischer Prozess, also ein Prozess, der an der Erdoberfläche stattfindet und diese formt. Michael Dietze, Erstautor der Studie: „Steinschläge beginnen meist unvermittelt, wenn Gestein am Hang die letzten Kontaktstellen mit dem Fels verliert, gefolgt vom freien Fall. Sie lassen sich deshalb optisch nur schwer und zeitlich ungenau überwachen. Für eine Frühwarnung sind rein optische Verfahren also nicht sehr erfolgsversprechend“. So begannen die WissenschaftlerInnen, die Bewegungen an der Erdoberfläche seismisch zu beobachten, sie also gewissermaßen zu belauschen. Dafür installierten sie ein Netzwerk aus sechs Breitbandseismometern in einem Abstand von etwa einem Kilometer zueinander, mit dem sie auch geringste Bodenbewegungen zeitlich sehr genau bestimmen können. Die großflächige Überwachung des Untergrunds liefert den WissenschaftlerInnen genaue Informationen zu Zeitpunkt, Einschlagsort und Ausmaß eines Steinschlags.

Ein Abgleich der Daten mit Informationen zu Erdbeben, Temperatur und Witterungsbedingungen ermöglicht Aussagen zum jeweiligen Auslöser. Die WissenschaftlerInnen untergliederten die im Versuchszeitraum aufgezeichneten Steinschläge in drei Typen: 5 der 49 Ereignisse führen sie auf Frost-Tau-Wechsel zurück, 19 auf Niederschlagsereignisse und 17 auf Veränderungen im Tagesgang der Temperatur - sie traten entweder während der kältesten Stunden des Tages oder während Phasen mit schnellem Temperaturwechsel auf. Lediglich 7 Ereignisse konnten keiner spezifischen Ursache zugeordnet werden.

Die Untersuchungen der Arbeitsgruppe tragen zu einem besseren Verständnis der Entstehungsprozesse von Steinschlägen und anderen Massenbewegungen bei. In Zukunft können seismische Netzwerke eine Möglichkeit sein, die Frühwarnung bei Massenbewegungen in Gebirgen zu verbessern und so Menschenleben schützen. Die notwendige Infrastruktur und Software werden derzeit in der Sektion Geomorphologie entwickelt.

Engere Zusammenarbeit mit Kolumbien soll vor zukünftigen Katastrophen schützen

Am 3. April war die kolumbianische Botschafterin María Lorena Gutiérrez Botero zu Gast am GFZ. Neben Überlegungen zu weiteren Kooperationen zwischen Kolumbien und dem GFZ wurde aus aktuellem Anlass auch über Möglichkeiten der Zusammenarbeit bei der Erforschung von Frühwarnsystemen in Entstehungsgebieten von Steinschlägen und Hangrutschungen gesprochen. Da die auslösenden Faktoren sehr variabel sind, wird auf diesem Gebiet am GFZ interdisziplinär gearbeitet.

Sigrid Roessner aus der GFZ Sektion Fernerkundung berichtete über die Analyse von Naturgefahren mittels optischer und Radar-Verfahren. Ein Schwerpunkt ihrer Arbeitsgruppe ist die Entwicklung von fernerkundlichen Methoden für das längerfristige Monitoring von Naturgefahren, die auch im Rahmen des sogenannten „Rapid mapping“ für die unmittelbare Erfassung einer Schadenslage genutzt werden können. Niels Hovius, Leiter der GFZ-Sektion Geomorphologie, unterstrich wie wichtig es ist, die Interaktion und Kombination von verschiedenen Prozessen genau zu untersuchen. Neben Projekten in den Schweizer Alpen werden Hangrutschungsprozesse in seiner Sektion beispielsweise auch in Nepal oder an deutschen Kliffküsten erforscht. Thomas Walter aus der Sektion Erdbeben- und Vulkanphysik präsentierte die Möglichkeiten des Monitorings von Veränderungen an der Erdoberfläche mittels Satellitensystemen und anderer geophysikalischer Messungen, die am GFZ im Bereich der Prozessanalyse vulkanischer Aktivitäten entwickelt werden.

Im Anschluss an die Gespräche besuchte Reinhard Hüttl, Wissenschaftlicher Vorstand des GFZ, den kolumbianischen Geologischen Dienst in Bogota, um mit dem Direktor des Instituts, Oscar Paredes Zapata, über die zukünftige Zusammenarbeit beider Institute zu sprechen. Ein nächster Schritt ist die Planung eines Workshops mit Kolleginnen und Kollegen aus Kolumbien in Bogota. Ludwig Stroink, Leiter des Internationalen Büros am GFZWir wollen vor allem auf dem Gebiet der Bewertung von Georisiken enger zusammenarbeiten. Neben Hangrutschungen gehören dazu zum Beispiel auch Erdbeben und Vulkane“. Der Workshop soll die Möglichkeiten dieser Zusammenarbeit ausloten und dazu dienen, weitere Forschungsaktivitäten zu konkretisieren. (ak)

Originalstudie: Dietze, M., Turowski, J.M., Cook, K., Hovius, N., 2017. Spatiotemporal patterns and triggers of seismically detected rockfalls. Earth Surface Dynamics. DOI: 10.5194/esurf-5-757-2017

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