Die Einwohner der Stadt Basel waren an diesem 18. Oktober gewarnt. Zwischen Mittagessen und Vesper erschütterte gegen 16:00 Uhr ein erster Erdstoß die Stadt mit ihren damals wohl 7.000 Einwohnern. Als die Glocken gegen 17:00 Uhr zum Abendessen läuteten, bebte die Erde gleich viermal. Spätestens jetzt flohen viele Menschen aus der Stadt und retteten damit wohl ihr Leben. Denn das Hauptbeben kam erst um 22:00 Uhr und zerstörte viele Gebäude der Stadt oder beschädigte sie schwer. Selbst im 71 Kilometer entfernten Bern stürzte das Gewölbe einer Kirche ein. Der Sachschaden war enorm, die Zahl der Todesopfer hielt sich vergleichsweise in Grenzen. Zwischen 100 und 300 Menschen sind schätzungsweise damals ums Leben gekommen.
In der heutigen Zeit hätte ein Beben solchen Ausmaßes weit gravierendere Folgen. Rund eine halbe Million Menschen leben im Dreiländereck zwischen der Schweiz, Frankreich und Deutschland. Chemie- und Pharmaindustrie, Kernkraftwerke und ungezählte Tanks mit Benzin, Diesel und Kerosin bergen zusätzliche Gefahren. Nach einer Schätzung könnten 1.500 bis 2.000 Menschen ihr Leben verlieren, allein in der Schweiz sind Schäden bis zu 60 Milliarden Euro vorstellbar.
Das Basler Erdbeben von 1356 ist nicht nur das stärkste Beben, von dem in Mitteleuropa nördlich der Alpen schriftliche Aufzeichnungen berichten. Es beweist gleichzeitig eindringlich, dass sich auch die Länder abseits der großen Erbebenzonen der Welt rund um das Mittelmeer oder rund um den Pazifik gegen solche verheerenden Katastrophen wappnen sollten. Für eine solche Vorsorge aber muss man erst einmal wissen, welche Regionen überhaupt durch Erdbeben gefährdet und welche Schäden zu erwarten sind. Genau solche Gefährdungskarten entwickeln Gottfried Grünthal vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ und seine Mitarbeiter in der GFZ-Sektion 2.6 „Erdbebengefährdung und Spannungsfeld“.
Der Euro der Erdbebenforscher
„Dazu erstellen wir zunächst einen Erdbeben-Katalog, der möglichst weit in die Geschichte zurückreicht“, erklärt Gottfried Grünthal. Aus Archiven werden Berichte über Beben in der Vergangenheit analysiert: Wie und wo wurde das Ereignis von Menschen wahrgenommen, welche Schäden an Gebäuden entstanden? Die Antworten auf diese Fragen zeigen den Forschern, wo das Beben seinen Herd hatte und wie intensiv es war. Gottfried Grünthal hat die Methoden zur Abschätzung solcher Intensitätswerte maßgeblich entwickelt, die seit 1998 einheitlich in Europa angewendet werden. Der Helmholtz-Forscher hat so eine einheitliche „Währung“ angestoßen, die in allen Regionen Europas und darüber hinaus gilt, eine Art Euro für die Erdbebenforschung also. Aus diesen Intensitätswerten lässt sich dann recht zuverlässig die „Momentmagnitude“ berechnen, die heute das einheitliche Maß für die Stärke von Erdbeben in Katalogen ist. „Eine Gefährdungskarte muss ja auf einheitlichen Grundlagen beruhen“, erläutert Gottfried Grünthal diesen Schritt.
In solchen Katalogen sehen die Forscher dann sofort, wie viele Beben einer bestimmten Stärke sich in einer Region in den letzten Jahrhunderten ereigneten und mit welchen mittleren Raten sie ungefähr wieder auftreten könnten. Die Daten aus den Archiven sind allerdings sehr unterschiedlich, in bestimmten Regionen fehlen sie sogar für bestimmte Zeiträume. So brannten in der Zeit der Türkenherrschaft vielerorts die Archive und die Informationen über die Zeit davor wurden vernichtet. Auch reichen die allermeisten Aufzeichnungen in Mitteleuropa höchstens tausend Jahre zurück. Ein starkes Erdbeben vor 2500 Jahren, das sich nach Jahrtausenden wiederholen kann, sollte natürlich ebenfalls berücksichtigt werden.
Blick in die Erde
„Daher fließen auch paläoseismologische Daten in Berechnungen der Erdbebengefährdung ein“, berichtet Gottfried Grünthal. Dabei suchen die Forscher im Untergrund nach Schichten, die sich aus Sicht eines Geologen in jüngerer Zeit abgelagert haben und die sich schlagartig gegeneinander verschoben haben. Finden sie mehrere solcher typischen Erdbebenspuren entlang einer viele Kilometer langen Linie, können sie auch die Momentmagnitude solcher Beben bestimmen. Damit haben GFZ-Forscher weitere Werte, die viel weiter als die historischen Aufzeichnungen in die Vergangenheit reichen. In der niederrheinischen Bucht zwischen Köln, Belgien und den Niederlanden wurden so mehrere Erdbeben in den letzten 50.000 bis 100.000 Jahren nachgewiesen, die bis zu einer Momentmagnitude von 6,7 und damit an die Stärke des Basel-Erdbebens reichten. Sie setzten also rund 30 mal mehr Energie frei als das kräftigste Beben dieser Region in historischer Zeit, das einen Wert von 5,7 hatte.
Nach diesem Sammeln der Daten analysieren die Forscher den Untergrund so gut wie möglich: Wie sind die geologischen Verhältnisse dort, welche Spannungen treten auf? Anschließend werden die Rechner mit einer Fülle von Daten gefüttert, zu denen vor allem sämtliche Angaben zu den Beben im Untersuchungsgebiet gehören. Natürlich müssen die Rechnungen auch die Auswirkungen von Ereignissen in größerer Entfernung berücksichtigen. Daher muss ein Gebiet untersucht werden, das rund 200 Kilometer über die Region hinausreicht, die eigentlich analysiert wird. Am Ende erhält man so Gefährdungskurven für ein Raster, dessen einzelne Punkte in der Landschaft zum Beispiel zehn Kilometer voneinander entfernt sind. Diese Daten wiederum setzen die Forscher zu Gefährdungskarten zusammen, die zum Beispiel ganz Europa, die deutschsprachigen Länder oder bestimmte Staaten zeigen.
Dort sieht man dann die besonders gefährdeten Regionen wie den Rheingraben von Basel bis in die Niederlande oder die Schwäbische Alb, aber auch die unauffälligen Gegenden wie die norddeutsche Tiefebene mit konkreten Erschütterungswerten. Behörden und Bauingenieure erhalten so Anhaltspunkte, für welche Erschütterungen sie die jeweiligen Bauten auslegen sollten. „Im Internet stellen wir aber auch genauere Informationen über die zu erwartenden Spektren der Bodenbeschleunigung für beliebige Orte in Deutschland zur Verfügung“, erklärt Gottfried Grünthal weiter. Damit können die Ingenieure dann Maßnahmen für erdbebengerechtes Bauen austüfteln. Und die können oft recht einfach sein. „Je einfacher der Grundriss, umso besser übersteht ein Gebäude ein Erdbeben“, erläutert Gottfried Grünthal eine der Möglichkeiten. Quadratische oder rechteckige Grundrisse sind also besonders stabil. Und weil die einfachste und damit sicherste Form ein Kreis ist, werden die Sicherheitshüllen für besonders gefährdete Einrichtungen wie das Innenleben eines Kernkraftwerkes eben rund gebaut.
Das gesammelte Know-How wenden die GFZ-Forscher inzwischen auch auf verwandte Gebiete an. So arbeiteten an Karten, auf der die Tsunamigefahr für die Küsten des Mittelmeers zu sehen ist. „Dort gab es zum Beispiel am 9. Juli 1956 einen Tsunami, der mit 20 Meter hohen Wellen auf die Ägäis-Insel Amorgos auflief und etliche Menschen das Leben kostete“, unterstreicht Gottfried Grünthal die Bedeutung solcher Karten. Ein weiteres Projekt untersucht, wie Erdbeben durch technische Projekte ausgelöst werden können und wie stark sie ausfallen dürften. Besonderes Augenmerk richten die Forscher da auf die industrielle Gewinnung von Erdwärme in großen Tiefen. Verändern diese Eingriffe das Spannungsfeld im Erdinneren so, dass Erdbeben ausgelöst werden und wie lässt sich deren Stärke begrenzen? Antworten auf solche Fragen werden in Zeiten dringend gesucht, in denen die Energiewirtschaft viel nachhaltiger als bisher werden soll.
Text: Roland Knauer (in Geschäftsbericht 2011 der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren)
