Makroseismische Bearbeitung des Erdbebens vom 20. Okt ... - BGR
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<strong>Makroseismische</strong> <strong>Bearbeitung</strong> <strong>des</strong> <strong>Erdbebens</strong> <strong>vom</strong> <strong>20.</strong> <strong>Okt</strong>. 2004<br />
östlich Rotenburg (Wümme) im Norddeutschen Tiefland<br />
von G. LEYDECKER 1 , D. KAISER, H. BUSCHE & T. SCHMITT<br />
1 Einleitung<br />
Am Morgen <strong>des</strong> <strong>20.</strong> <strong>Okt</strong>. 2004 ereignete sich um 8:59 Uhr MESZ in der Norddeutschen Tiefebene<br />
östlich Rotenburg (Wümme) ein Erdbeben, das die Menschen im weiten Umkreis stark<br />
beunruhigte. Häuser schwankten, Möbel bewegten sich, Fenster klirrten und Türen klapperten,<br />
Bücher fielen um, hängende Gegenstände pendelten und Bildschirme zitterten. Aus dem<br />
Nahbereich zum Epizentrum wurde zudem von starken Geräuschen ähnlich einem in nächster<br />
Nähe vorbeifahrenden LkW oder Trecker berichtet. Schäden wurden nicht beobachtet. In wenigen<br />
Fällen wurden feine Rissen im Verputz und das Abbröckeln kleiner Putzteile gemeldet.<br />
Das Beben wurde im Norden bis über Hamburg hinaus gespürt, im Süden bis Hannover und<br />
im Nordwesten bis Bremerhaven.<br />
Wegen der Seltenheit eines <strong>Erdbebens</strong> im Norddeutschen Tiefland, wegen seiner Heftigkeit<br />
und weiten Verspürbarkeit wurde darüber im Fernsehen, im Radio und in der Lokalpresse<br />
ausführlich und tagelang berichtet. Damit bestand auch die Möglichkeit die Menschen aufzurufen<br />
uns ihre Beobachtungen mitzuteilen, entweder telefonisch oder durch das Ausfüllen von<br />
Fragebögen zur Makroseismik, die wir in Rathäusern auslegten und die auf den <strong>BGR</strong>-Internetseiten<br />
und denjenigen <strong>des</strong> Instituts für Geophysik der Universität Hamburg bereit standen.<br />
Die Resonanz war ungewöhnlich groß. Zehn Tage nach dem Beben standen uns mehr als<br />
1100 Fragebogen für die makroseismische <strong>Bearbeitung</strong> dieses <strong>Erdbebens</strong> zur Verfügung. Über<br />
80% davon wurden direkt im Internet ausgefüllt, was eine zügige und Computer unterstützte<br />
Auswertung ermöglichte.<br />
2 <strong>Makroseismische</strong> Auswertung<br />
Die Auswertung der Fragebögen zur Bestimmung der Intensitäten erfolgte unter Zugrundelegung<br />
der European Macroseismic Scale EMS-1998. Um eine möglichst objektive Einstufung<br />
zu gewährleisten, wurden alle Fragebögen von jedem der vier Autoren individuell ausgewertet.<br />
Unterschiedliche Ergebnisse wurden danach gemeinsam besprochen und dabei eine endgültige<br />
Einstufung getroffen. Im Anschluss daran wurden je Ort alle beobachteten Intensitäten<br />
zusammengestellt und wiederum gemeinsam die für einen Ort geltende Intensität festgelegt.<br />
Diese ist nicht durch Mittelwertbildung gewonnen, sondern orientierte sich mehr an der Anzahl<br />
der höheren Intensitäten. Wegen einiger flächenmäßig weit ausgedehnten Orte mit über<br />
50 zugehörigen Ortsteilen, die zudem auch die gleiche Postleitzahl hatten, wurde angestrebt,<br />
Einzelberichte aus nah benachbarten Ortsteilen zusammenzufassen, um dort zu einer abgesicherten<br />
Intensitätsfestlegung zu kommen. Als Epizentralintensität wurde Io = V ½ EMS festgelegt,<br />
die Magnitude war zu ML = 4,5 bestimmt worden.<br />
Das Beben war auch vielfach in Hamburg überwiegend in Hochhäusern (mehr als fünf Stockwerke)<br />
z. T. recht stark verspürt worden. Hierfür lassen sich mehrere Effekte anführen. Je<br />
höher ein Gebäude, umso tieffrequenter ist seine Eigenschwingung. Auf dem relativ langen<br />
Weg der Erdbebenwellen <strong>vom</strong> Hypozentrum durch mächtige Sedimentschichten bis nach<br />
Hamburg werden die höherfrequenten Wellenanteile stark gedämpft und längerperiodische<br />
Oberflächenwellen bilden sich aus, sodass die tieferen Frequenzen überwiegen. Bei weichem<br />
Baugrund und geschichtetem Untergrund können zusätzlich selektiv Frequenzen verstärkt<br />
1 Dr. Günter Leydecker, Dr. Diethelm Kaiser, Dr. Holger Busche, Dipl. Ing. Timo Schmitt<br />
Bun<strong>des</strong>anstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Stilleweg 2, D-30655 Hannover/Germany,<br />
Tel. + 49 (0)511 - 643 - 0 ; fax – 2868 mail: diethelm.kaiser@bgr.de Internet: http://www.bgr.de/quakecat<br />
16. Nov. 2006
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werden. Dieses insgesamt längerperiodische Wellenspektrum regt vor allem Hochhäuser zu<br />
Eigenschwingungen an. Die Amplituden der Gebäu<strong>des</strong>chwingungen sind in den verschiedenen<br />
Stockwerken zwar unterschiedlich stark, aber alle Stockwerke sind betroffen.<br />
Das Ergebnis der Auswertung der Fragebögen ist in den beiden makroseismischen Karten<br />
zusammengestellt. Die Isoseisten, die die Flächen gleicher oder höherer Intensitäten umschließen,<br />
sind darin eingezeichnet. Die Intensitätsangaben in den Karten mit zusätzlichem<br />
„+“, z. B. V+, bedeuten einen Zwischenwert zur nächst höheren Intensität, z. B. V ½. bzw.<br />
V-VI<br />
Die Karte in Abb. 1 zeigt das Nahfeld mit der Isoseiste V. Gra<strong>des</strong>. Im Schwerpunkt dieser<br />
Isoseiste wurde von uns das makroseismische Epizentrum festgelegt. Das aus instrumentellen<br />
Aufzeichnungen berechnete Epizentrum liegt ca. 4 km südlich (<strong>BGR</strong>-SDAC/SZGRF). Berücksichtigt<br />
man den Fehlerbereich bei der Epizentrumsbestimmung, so stimmen beide Epizentren<br />
gut überein.<br />
Die zweite Karte (Abb. 2) zeigt das gesamte Schüttergebiet mit den Isoseisten V., IV. und III.<br />
Gra<strong>des</strong>. Auffallend sind die fehlenden Beobachtungen aus dem südlichen Bereich der Isoseiste<br />
III. Gra<strong>des</strong>. Erklärbar ist dies vielleicht damit, dass die die Intensität III definierenden<br />
Wirkungen – schwach: von wenigen Personen in Gebäuden wahrgenommen, ruhende Personen<br />
fühlen ein leichtes Schwingen oder Erschüttern – die dortigen Bewohner nicht veranlasste,<br />
uns ihre für sie unerheblichen Wahrnehmungen mitzuteilen. Möglich ist auch, dass die<br />
dortigen Zeitungen unseren Aufruf zur Mitteilung der Beobachtungen nicht abdruckten. Beide<br />
Gründe zusammen könnten die fehlenden Meldungen erklären.<br />
3 Bestimmung der Herdtiefe<br />
3.1 <strong>Makroseismische</strong> Bestimmung der Herdtiefe<br />
Aus den Isoseistenflächen wurden die mittleren Isoseistenradien bestimmt. Mittels Inversion<br />
der Gleichung für die makroseismische Intensitätsabnahme von KÖVESLIGETHY (SPONHEUER<br />
1960) wurden der Absorptionskoeffizient α und die Herdtiefe h berechnet.<br />
⎛ 2 2<br />
h r ⎞<br />
2 2<br />
IS<br />
I0<br />
3log⎜<br />
+<br />
= −<br />
⎟ −1.<br />
3α(<br />
h + r − h)<br />
⎜ h ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
IS = Intensität der Isoseiste mit dem Isoseistenradius r<br />
I0 = Epizentralintensität<br />
h = Herdtiefe [km]<br />
r = Isoseistenradius [km]<br />
α = Absorptionskoeffizient [km -1 ]<br />
Da lediglich drei Isoseistenradien bei drei Unbekannten (Io, α, h) zur Verfügung stehen, wurde<br />
die Epizentralintensität, die aus der makroseismischen Feldaufnahme recht gut bekannt ist,<br />
bei der Iteration fest vorgegeben und jeweils nur im hier vertretbaren Maß variiert. Mit Io =<br />
5.75 ergeben sich h = 10 km ± 1.0 km und α = 0.003/km ± 0.0018. Eine theoretische Epizentralintensität<br />
von 5.75 ist lediglich als punktueller Rechenwert anzusehen, die aus Beobachtungen<br />
bestimmte Epizentralintensität von V ½ EMS braucht <strong>des</strong>wegen nicht korrigiert<br />
zu werden. Durch Variation der Isoseistenradien um ± 10%, die die Unsicherheiten in deren<br />
Bestimmung widerspiegeln, erweitert sich der Bereich der möglichen Herdtiefen auf 7 km bis<br />
13 km. Wegen der weiten Verspürbarkeit bei der moderaten Epizentralintensität von V ½<br />
EMS ist die so eingegrenzte Herdtiefe von ca. 10 km ± 3 km recht plausibel.
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3.2 Instrumentelle Bestimmung der Herdtiefe<br />
Die Stationen <strong>des</strong> Deutschen Regionalen Seismometernetzes sowie Stationen in Nachbarländern<br />
registrierten dieses Beben. Die herdnächste Station befand sich in etwa 70 km Entfernung.<br />
Auch außerhalb Europas wurde das Erdbeben aufgezeichnet, unter anderen von zwei<br />
hoch empfindlichen seismischen Messanlagen in Nordamerika bei Yellowknife (Station<br />
YKA) und Pinedale (Station PDAR). Mit diesen Daten untersuchten DAHM et al. (2006) dieses<br />
Beben und kamen zu folgenden Ergebnissen:<br />
Epizentrum: 9,63°E / 53,01°N<br />
Lokalmagnitude nach Richter: ML = 4,5<br />
Herdmechanismus: Schrägabschiebung auf einer Herdfläche etwa NNW-SSE (ca. 330°) streichend;<br />
einseitige Bruchausbreitung nach Norden auf einer ca. 4,5 km langen Bruchfläche<br />
und einer Bruchdauer von ca. 1,3 Sekunden Die bei diesem Verfahren ermittelten<br />
Herdtiefen liegen zwischen 5 und 10 km.<br />
Auswertung <strong>des</strong> zweiten Welleneinsatzes (pP-Welle) an den Stationen YKA und PDAR<br />
(6300 bzw. 7900 km Entfernung) in Nordamerika. Mit deren Aufzeichnungen konnte<br />
eine Herdtiefe von 5 bis 7 km berechnet werden.<br />
Nachbeben: <strong>20.</strong>10.2006 09:47 MESZ, ML = 2,2; <strong>20.</strong>10.2006 22:05 MESZ, ML =2,0;<br />
24.10.2006 02:48 MESZ, ML = 1,7. Das letzte wurde mit Hilfe eines zwischenzeitlich<br />
von der Universität Hamburg nahe dem Epizentrum aufgestellten temporären Seismometers<br />
registriert. Die quellnahe Lage dieser Station ermöglichte eine Herdtiefenbestimmung<br />
von 7,7 ±3,8 km.<br />
DAHM et al. (2006) kommen nach Bewertung aller durch verschiedene instrumentelle Methoden<br />
ermittelten Herdtiefen zu dem Schluss, dass die wahrscheinliche Tiefenlage auf einen<br />
Bereich von etwa 5 – 7 km eingrenzt werden kann. Eine genauere Bestimmung ist mit den<br />
verfügbaren Messdaten nicht möglich.<br />
3.3 Parameter <strong>des</strong> <strong>Erdbebens</strong><br />
Für das Erdbeben bei Rotenburg (Wümme) ergeben sich somit folgende Parameter:<br />
Datum <strong>20.</strong> <strong>Okt</strong>ober 2004<br />
Herdzeit 06:59:16.1 UT (08:59:16.1 MESZ)<br />
Epizentrum makroseismisch 53°04.6’N / 9°32.4’E<br />
Epizentrum instrumentell (<strong>BGR</strong>) 53°02.3’N / 9°32.2’E ± 4.0 km<br />
Epizentrum instrumentell (DAHM et al.) 53°00.6’N / 9°37.8’E<br />
Herdtiefe makroseismisch 10 km ± 3 km<br />
Herdtiefe instrumentell (DAHM et al.) 5 km – 7 km<br />
Magnituden ML = 4.5, MW = 4.3<br />
Epizentralintensität V ½ EMS<br />
Isoseistenradien V: 14.5 km, IV: 33 km, III: 68 km<br />
Verlauf der Bruchfläche NNW-SSE<br />
4 Ursachen <strong>des</strong> <strong>Erdbebens</strong><br />
Die Zechsteinbasis liegt im Epizentralbereich in ca. 4600 m Tiefe. Die Gaslagerstätte aus der<br />
gefördert wird liegt wenig unter dieser Basis im Rotliegenden in ca. 5000 m Tiefe. Aus den<br />
instrumentellen Registrierungen dieses <strong>Erdbebens</strong> ergibt sich für die Herdtiefe ein Bereich<br />
zwischen 5 km und 7 km. Makroseismisch wurde eine Herdtiefe von 10 km ± 3 km bestimmt.<br />
Betrachtet man die Fehlerbereiche der verwendeten instrumentellen und makroseismischen<br />
Tiefenbestimmung, so ist erkennbar, dass die Ergebnisse einander nicht widersprechen. Aller-
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dings lässt allein die Eingrenzung der Tiefenlage <strong>des</strong> <strong>Erdbebens</strong> keine eindeutigen Rückschlüsse<br />
auf die Ursache <strong>des</strong> <strong>Erdbebens</strong> zu.<br />
Das Hypozentrum liegt zwischen zwei NNW-SSE streichenden Störungen im subsalinaren<br />
Sockel die Teil der Scheeßel-Fallingbostel-Störungszone sind. Die letzten Bewegungen an<br />
diesen Störungen sind im Tertiär (Ober-Eozän) nachgewiesen. Numerische Modellierungen<br />
<strong>des</strong> regionalen Spannungsfel<strong>des</strong> Norddeutschlands weisen sie als potenziell reaktivierbar aus.<br />
Da Lage und Richtung <strong>des</strong> bekannten Störungssystems gut mit der instrumentell berechneten<br />
Herdfläche übereinstimmen, wurde das Erdbeben mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine<br />
Reaktivierung dieser Bruchflächen verursacht.<br />
5 Zur Seismizität der Norddeutschen Tiefebene<br />
Etwa 35 km südöstlich <strong>vom</strong> jetzigen Bebenort hatte sich am 2. Juni 1977 zwischen Soltau und<br />
Munster ein Erdbeben mit ML = 4,0 und einer maximal beobachteten Intensität von V MSK<br />
ereignet (LEYDECKER et al. 1980). Es war das erste instrumentell registrierte tektonische Erdbeben<br />
aus der Norddeutschen Tiefebene. Weitere tektonische Erdbeben ereigneten sich am<br />
19. Mai 2000 bei Zarrentin, südwestlich Schwerin mit ML = 3,2 (BOCK et al. 2002) und am<br />
21. Juli 2001 mit ML = 3,5 östlich Rostock. Für das Beben bei Zarrentin liegen keine makroseismischen<br />
Beobachtungen vor (eigene Nachforschungen), das Beben bei Rostock wurde nur<br />
von wenigen Menschen schwach verspürt.<br />
Im Zusammenhang mit der Erdgasförderung in Norddeutschland ereignen sich hin und wieder<br />
Erdbeben, die als induzierte seismische Ereignisse bezeichnet werden müssen. Ihre Magnitude<br />
hat bisher nicht den Wert von ML = 3,0 erreicht. Trotz ihrer relativ geringen Energie wurden<br />
sie aber wegen ihrer flachen Herdtiefen um 3 km mit bis zu Intensität V verspürt (LEYDE-<br />
CKER 1998, 2005).<br />
Eine Besonderheit in der Norddeutschen Tiefebene sind die nur sehr lokal verspürten seismischen<br />
Ereignisse in Hamburg. Es sind Einsturzbeben im Gipshut <strong>des</strong> dort nahe an die Oberfläche<br />
reichenden und damit dem Grundwasserstrom ausgesetzten Salzstockes. Das erste dieser<br />
Beben ereignete sich im Jahre 1771, das jüngste am 8. April 2000 (LEYDECKER 2004).<br />
Diese seismischen Ereignisse werden nur in einem engen Umfeld verspürt, die Erschütterungen<br />
sind sehr wahrscheinlich allein auf das plötzliche Absenken der Erdoberfläche zurückzuführen.<br />
Danksagung<br />
Wir danken allen Bewohnern, die überaus zahlreich ihre Wahrnehmungen in Telefonanrufen<br />
sowie durch Ausfüllen <strong>des</strong> Fragebogens im Internet oder in kommunalen Einrichtungen mitteilten.<br />
Die örtlichen Zeitungen waren sehr kooperativ und veröffentlichten hierzu einen entsprechenden<br />
Aufruf. Torsten Dahm <strong>vom</strong> Institut für Geophysik der Universität Hamburg danken<br />
wir für die Überlassung aller dort gesammelten Fragebögen.<br />
Literatur<br />
BOCK, G., WYLEGALLA, K., STROMEYER, D. & G. GRÜNTHAL (2002): The Wittenburg Mw =<br />
3.1 earthquake of May 19, 2000; an unusual tectonic event in Northeastern Germany.<br />
-- in: KORN, M. (edt.): Ten years of German Regional Seismic Network (GRSN). --<br />
DFG Report 25 of the Senate Commission for Geosciences. WILEY-VCH Verlag,<br />
Weinheim. 220-226.<br />
DAHM, T., KRÜGER, F., STAMMLER, K., KLINGE, K., KIND, R., WYLEGALLA, K. & J.-R.<br />
GRASSO (2006): The MW 4.4 Rotenburg, Northern Germany earthquake and its possible<br />
relationship with gas recovery. – Bull. Seism. Soc. America (eingereicht).
- 5 -<br />
LEYDECKER, G., STEINWACHS, M., SEIDL, D., KIND, R., KLUSSMANN, J. & ZERNA, W. (1980):<br />
Das Erdbeben <strong>vom</strong> 2. Juni 1977 in der Norddeutschen Tiefebene bei Soltau. -- Geol.<br />
Jb., E 18: 3-18, 5 Abb., 3 Tab., Hannover.<br />
LEYDECKER, G. (1998): Das Erdbeben <strong>vom</strong> 9. <strong>Okt</strong>ober 1993 bei Pennigsehl nahe Nienburg/Weser<br />
im Norddeutschen Tiefland. -- S. 29- 33, 2 Abb., 1 Tab.; in: HENGER, M.<br />
& G. LEYDECKER (eds.): Erdbeben in Deutschland 1993. -- ISBN 3-510-95808-X. -<br />
<strong>BGR</strong>, Hannover.<br />
LEYDECKER, G. (2003): Das Erdbeben <strong>vom</strong> 11. Juli 2002 in Weyhe südlich Bremen in der<br />
Norddeutschen Tiefebene (The earthquake in Weyhe south of Bremen in the Northern<br />
German Lowland on July 11, 2002). – Z. Angew. Geol., 49. Jg., 1/2003; S. 60-<br />
64, 4 Abb., 3 Tab.; ISSN 0044-2259, Hannover.<br />
LEYDECKER, G (2005): Erdbebenkatalog für die Bun<strong>des</strong>republik Deutschland mit Randgebieten<br />
für die Jahre 800 –2004 – Datenfile www.bgr.de/quakecat ; Bun<strong>des</strong>anstalt für<br />
Geowissenschaften und Rohstoffe (<strong>BGR</strong>), Stilleweg 2, D-30655 Hannover.<br />
SPONHEUER, W. (1960): Methoden zur Herdtiefenbestimmung in der Makroseismik- Freib.<br />
Forsch.-H. C 88: pp 117; Akademie Verlag Berlin.<br />
Abbildungsverzeichnis:<br />
Abb. 1: <strong>Makroseismische</strong> Karte – Bereich der Intensität V - zum Erdbeben östlich Rotenburg<br />
(Wümme) am <strong>20.</strong> <strong>Okt</strong>. 2004 um 08:59 MESZ<br />
Abb. 2: <strong>Makroseismische</strong> Karte zum Erdbeben östlich Rotenburg (Wümme) am <strong>20.</strong> <strong>Okt</strong>.<br />
2004 um 08:59 MESZ
Abb. 1:<br />
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Abb. 2:<br />
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