Forschungsthema 4 "Naturgefahren" (RU4)

Zu regionalen und standortspezifischen Bodenbewegungsmodellen

Die Bewertung möglicher Bodenerschütterungen ist ein Hauptbestandteil der Bewertung von seismischen Gefahren. Das exponentielle Wachstum verfügbarer seismologischer Daten wurde genutzt, um regionale und ortsspezifische Bodenerschüttungsmodelle (GSM) zu verbessern. Wir entwickelten ein physikbasiertes und datengesteuertes GSM mit Fokus auf urbane Gebiete und stabile kontinentale Regionen (Bindi et al. 2014; Kotha et al. 2016; Drouet & Cotton 2015), sowohl für normative Zwecke als auch für standortspezifische Studien. Die Entwicklungen umfassen Hochfrequenzdämpfung, Bodenbewegungsvariabilität und epistemische Unsicherheitsanalysen. Ein spezifischer Fokus in unseren standortspezifischen Studien war die lokale Schütterverstärkung der Oberflächenschichten (Ktenidou et al. 2015), die Oberflächentopographie und die Boden-Struktur-Interaktion einschließlich der rückgestreuten Energie von Gebäuden. Wir haben neue Methoden entwickelt, um die Effekte der Standortverstärkung in Echtzeit zu prognostizieren (Pilz & Parolai 2016).

Probabilistische Gefährdungs- und Risikomodelle, Baunormen

In den kommenden Jahrzehnten werden sich extreme Ereignisse, die früher nur eine kleine Wirkung hatten, auf urbane Ballungsräume von mehreren Millionen Menschen auswirken. Daher ist es dringend notwendig, aktuelle, verbindliche und solide Baunormen zu entwickeln. So arbeiten wir mit Ingenieuren zusammen und sind in Ausschüssen für seismische Baunormen (DIN, EC8) vertreten. Wir haben ein neues probabilistisches Gefährdungsmodell für Deutschland entwickelt, das in die zukünftige deutsche seismische Baunorm integriert werden soll. Wir haben auch neue seismische Gefährdungs- und Risikomodelle für Kirgisistan in Zusammenarbeit mit der Industrie und der Weltbank erstellt und zur Entwicklung des letzten europäischen seismischen Gefährdungsmodells beigetragen. Die Entwicklung zuverlässiger seismischer Gefährdungs- und Risikomodelle ist nur möglich, wenn Schlüsselinformationen, wie Erdbebenkataloge, Bodenbewegungsdaten und Standortbedingungen, verfügbar sind und kontinuierlich aktualisiert werden. Das GFZ ist maßgegebend an dieser Leistung beteiligt: während der letzten Jahren veröffentlichten wir  homogenisierte Erdbebenkataloge für Europa (Grünthal et al. 2013) und Zentralasien.

 

 

Anthropogene Erdbeben

Um die induzierte seismische Gefährdung abzuschwächen, benutzen wir ein thermo-hydro-mechanisches Modell (thermo-hydro-mechanical - THM) und verknüpfen dieses mit statistischen Methoden zu einem vorausschauenden Schema der induzierten seismischen Gefährdungseinschätzung (FISHA - Forward Induced Seismic Hazard Assessment scheme) (Hakimhashemi et al. 2014). In Zusammenarbeit mit dem Forschungsthema 5 "Georessourcen" können wir die Voraussagen des THM-Modells bestätigen. Auch die von FISHA gemachten Voraussagen wurden durch ein einzigartiges Experiment in einem Untertagefelslabor in Äspö/Schweden bestätigt. In diesem Experiment wurden mehrskalige Injektionen durchgeführt, um das Wachstum und die Verortung der Hydro-Bruchstellen mit großer Genauigkeit zu verfolgen (Zang et al. 2017).  Das zyklische Stimulationsschema des Auf- und Abbau des Bruchstellennetzdruckes führte zu einer niedrigen, das Experiment begleitenden Seismizität, vergrößerte aber gleichzeitig die Permeabliltät des behandelten Gesteinsabschnitts.  Von diesen Erfahrungen ausgehend wurde ein speziell angepasstes Protokoll für diese Art von Experimenten, das auch am Geothermalstandort Pohang, Republik Korea, durchgeführt werden soll, im Rahmen des von der EU finanzierten Projektes DESTRESS entwickelt.

 

 

Was sind die Grenzen der Vorhersagbarkeit und wie können seismische Gefährdungsmodelle gründlich getestet werden ?

Wir streben danach zu verstehen, wo die Grenzen der Vorhersagbarkeit von seismischen Gefährdungsmodellen liegen und wie Gefährdungsmodelle gründlich getestet werden können. In den vergangenen zehn Jahren hat CSEP (Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability) Untersuchungen zur Prognosefähigkeit von seismischen Modellen als integraler Teil der seismischen Gefährdungseinschätzung angestellt. Als Schlüsselteilnehmer in CSEP leisten wir einen kontinuierlichen Beitrag zu diesen Tests. Im Rahmen des Projekts "Globales Erdbebenmodell" (Global Earthquake Model - GEM) haben wir die vorausschauenden Testverfahren von CSEP auf alle Komponenten der seismischen Gefährdungseinschätzung ausgeweitet: Gleichungen zur Intensitätsvorhersage, Gleichungen zur Vorhersage der Bodenbewegung und Gefährdungsmodelle (Mak & Schorlemmer 2016). Das GFZ übernimmt eine Hauptrolle in GEM und CSEP als das Haupttestzentrum für alle Arten von gefährdungsrelevanten Modellen und für die Untersuchung der Tauglichkeit von Basiskonzepten, die in der seismischen Gefährdungsforschung verwendet werden.

 

 

Entwicklungen in der Überwachung, der schnellen Analyse und der raschen Reaktion

Schadensabschätzung

Die Abschätzung von Risiken setzt voraus, dass man zunächst die Naturgefahren, die schadhafte Ereignisse bedingen können, versteht und ihre negativen Folgen in einem quantitativen und verlässlichen Umfang vorhersagen kann.

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich in diesem Rahmen insbesondere mit:

  • Modellierung der potenziellen Auswirkungen von Erdbeben (und anderen Naturgefahren) in Bezug auf Sachschäden, Verlust von Menschenleben und Lebensunterhalt, wirtschaftliche Folgen und funktionelle Störungen der Infrastruktur;
  • Verständnis der zugrunde liegenden Unsicherheiten im Modellierungsprozess und der Rolle dieser Unsicherheiten in der anschließenden Phase des Risikomanagements;
  • Entwicklung innovativer Methoden zur effizienten Erfassung und Integration der Informationen, die für die zuverlässige Durchführung von Risikobewertungen und Folgenabschätzungen auf verschiedenen räumlichen Skalen erforderlich sind.

Frühwarnung und schnelles Eingreifen

Die Frühwarnung bezieht sich auf die Früherkennung eines Ereignisses, infolge dessen es zu Schäden und Verlusten kommen kann, und die anschließende Alarmierung, welche von den Katastrophenschutzbehörden zur Durchführung von Notfallvorsorge- oder -minderungsmaßnahmen genutzt werden kann. Bei Erdbeben geht es in der Regel um die Errichtung eines dichten seismischen Netzes von Messstellen, was mit erheblichen wirtschaftlichen und technischen Investitionen verbunden ist.

Unsere Gruppe ist aktiv in der Erforschung und Entwicklung innovativer Lösungen für die Erdbebenfrühwarnung, die je nach den verfügbaren Ressourcen skalierbar sind und auch in wirtschaftlich nicht voll entwickelten Ländern Anwendung finden. Darüber hinaus arbeiten wir an einer engeren Verzahnung von Rapid Impact Forecasting mit Frühwarnsystemen zur Unterstützung und Ergänzung von Krisenreaktionsmaßnahmen.

Ausblick und Wissenstransfer