Fragen und Antworten zum Thema Erdbeben

Immer wieder bebt die Erde. Helmholtz-Wissenschaftler beantworten häufig gestellte Fragen zum Thema Erdbeben.

1. Was sind Erdbeben und wie entstehen diese?

Erdbeben sind Bruchprozesse im Gestein, die zu Erschütterungen der Erdoberfläche führen. Die meisten Schadensbeben bisher haben tektonischen Ursprung (tektonische Erdbeben). Sie entstehen durch eine plötzliche Verschiebung entlang einer Bruchfläche in der Erdkruste und der daraus resultierenden Freisetzung der angesammelten elastischen Energie. Diese Bruchzonen finden sich vor allem an Plattengrenzen. Die Forschung spricht hier auch von sogenannten tektonischen Verschiebungen. Neben den tektonischen Ursachen gibt es noch weitere Ursachen für Erdbeben wie zum Beispiel der Abbau von Rohstoffen. Dieser hinterlässt oft unterirdische Hohlräume (z.B. Steinkohlebergbau, Ölförderung), die durch tektonische Verschiebungen einstürzen können. Man spricht hier auch von menschengemachten Beben oder induzierter Seismizität. Eine weitere Ursache für Beben kann auch Vulkanismus sein.

2. Wie viele Erdbeben ereignen sich im Jahr weltweit?

Sehr starke Erdbeben mit Magnituden über acht ereignen sich weltweit im Durchschnitt einmal im Jahr. Erdbeben der Magnitude zwischen sieben und acht treten im Schnitt 15-mal pro Jahr auf. Erdbeben mit Magnituden über sieben können verheerende Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben. Moderatere Erdbeben mit der Stärke fünf bis sechs ereignen sich weltweit bis zu 1.300 Mal jährlich, kleinere Beben zwischen Magnituden von drei bis vier ereignen sich im Schnitt geschätzte 130.000 Mal/Jahr. Erdbeben mit Magnitude drei werden in der Regel von Menschen dann noch gespürt, wenn sich diese in der Nähe des Erdbebenherdes aufhalten. Solche kleineren Beben führen in den allermeisten Fällen aber nicht zu Schäden.

3. Welche Geräte werden zur Erfassung von Erdbeben eingesetzt?

Erdbeben werden in der Regel mit Seismometern erfasst. Seismometer werden dazu weltumspannend an der Erdoberfläche an besonders "ruhigen Orten" aufgestellt, zumeist in seismologischen Observatorien. Dabei kann es sich um alte Stollen, Keller in abgelegenen Gebäuden oder auch eigene Konstruktionen im Gelände handeln.

Die bekanntesten seismologischen Observatorien in Deutschland stehen im Schwarzwald (Station BFO bei Schlitach), in Bayern (Station WET bei Wetzell), oder in Thüringen (Station MOX bei Jena). Das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) betreibt in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen in anderen Ländern weltweit seismologische Stationen. Eine Übersicht über seismologische Oberservatorien in Deutschland stellt die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe auf ihrer Webseite zur Verfügung,

Alle Observatorien zeichnen ihre Daten mit einheitlicher Zeitbasis auf (Koordinierte Weltzeit, UTC), sodass die Daten eines aufgezeichneten Erdbebens zusammengeführt und gemeinsam ausgewertet werden können. Neben den klassischen Observatorien werden Seismometer mittlerweile auch am Meeresboden, an aktiven Vulkanen, auf Eisschollen und Gletschern oder zeitweilig auch auf dem Mond betrieben.

4. Wo treten die meisten Erdbeben auf?

Die obersten Schichten der Erde bestehen aus zahlreichen starren Platten (tektonische Platten), die aneinander gleiten, sich voneinander weg oder untereinander schieben. Die stärksten Erdbeben treten in der Regel an Plattengrenzen auf. Stark betroffen sind beispielsweise die Westküste Nord- und Südamerikas, Indonesien, Japan, Zentralasien und Teile von China oder die Türkei und in Europa vor allem Italien, Griechenland und Island. In diesen Regionen kommen immer wieder Starkbeben vor.

5. Können Erdbeben vorhergesagt werden?

Nein, Erdbeben können nicht auf Tag, Ort und Stärke vorhergesagt werden. Allerdings entwickeln Seismologen heutzutage seismische Gefährdungskarten, in denen die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von starken Bodenerschütterungen durch tektonische Erdbeben für einen festgelegten Zeitraum angegeben werden kann.
Zudem forschen Wissenschaftler an verschiedenen Methoden zur Erdbebenfrühwarnung. ( >> Gegenwart und Zukunft von Frühwarnsystemen)

6. Warum werden manchmal leicht unterschiedliche Angaben zur Stärke eines Erdbebens veröffentlicht?

Ein Grund kann darin liegen, dass unterschiedliche "Stärke-Skalen" angegeben werden. So gibt es z.B. mehrere Magnitudenskalen für Erdbeben, die auf unterschiedlichen Typen von Daten und Auswertungen beruhen. Weitere Gründe können darin liegen, dass z.B. kurz nach Auftreten eines Erdbebens die verschiedenen Dienste und Observatorien erst einmal nur auf unterschiedliche Messstationen zugreifen und noch nicht alle Daten vollständig austauschen oder auswerten können. So enthalten zum Beispiel die ersten schnellen Aussagen über die Stärke eines Erdbebens aufgrund der noch geringen Datenmenge größere Unsicherheiten. Im Laufe der Zeit werden immer mehr Daten von immer mehr Messstationen ausgewertet und die Aussagen über die Stärke eines Erdbebens präziser getroffen werden.

7. Wo erhalte ich Information über aktuelle und vergangene Erdbeben?

Das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam betreibt ein weltweites Stationsnetz von knapp 80 Stationen an denen Seismometer die Bodenerschütterungen erfassen. Insgesamt gibt es nur wenige dieser globalen Netze, die jedoch alle eng zusammenarbeiten. Je dichter das Messnetz ist, desto schneller lassen sich die Lage des Erdbebenherdes und die Stärke des Bebens ermitteln. Das Seismometer-Netzwerk GEOFON des Deutschen GeoForschungsZentrums steht für GEOFOrschungsNetzwerk. Globale aktuelle Erdbebenmeldungen finden Sie auf der GFZ-Webseite.

8. Wie kann ich mich bei einem Erdbeben schützen?

Bei Aufenthalt in einem Gebäude:
Einen konkreten Schutz vor Erdbeben gibt es nicht, auch weil diese noch nicht vorhergesagt werden können. Das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam hat in einem speziellen Merkblatt eine Liste mit Verhaltensregeln veröffentlicht: So ist es im Falle eines Erdbebens äußerst wichtig, Ruhe zu bewahren und sofort Schutz unter einem schweren stabilen Möbelstück (z. B. Tisch) zu suchen. Ist dies nicht möglich, sollten Sie unter einen stabilen Türrahmen flüchten oder sich auf den Boden nahe einer tragenden Innenwand und weg von Fenstern legen. Dort sollten Sie Kopf und Gesicht mit verschränkten Armen schützen.

Bleiben Sie im Haus solange die Erdbebenerschütterungen anhalten. Am gefährlichsten ist der Versuch, das Gebäude während des Bebens zu verlassen, da man kann durch fallende Gegenstände oder Glassplitter verletzt werden kann. Ausnahme: Sie befinden sich bei Beginn der Erschütterung im Erdgeschoss in Nähe einer Außentür, die direkt ins Freie führt (Garten oder offener Platz, nicht enge Straße). Weiterhin gilt, kein Treppenhaus zu begehen und keinen Fahrstuhl zu benutzen.

Bei Aufenthalt im Freien:
Suchen Sie schnellstmöglich einen freien Platz auf, entfernt von Gebäuden, Straßenlampen und Versorgungsleitungen. Bleiben Sie dort, bis die Erschütterungen abgeklungen sind. Wenn Sie Auto fahren, steuern Sie es sofort an den Straßenrand, weg von Gebäuden, Bäumen, Überführungen und Versorgungsleitungen. Bleiben Sie im Fahrzeug, solange die Erschütterungen anhalten. Schalten Sie das Autoradio ein. Befahren Sie keine Brücken, Kreuzungen oder Unterführungen.

Nach dem Beben fahren Sie mit größter Vorsicht weiter (vermeiden Sie dabei Brücken und Rampen, die durch das Beben beschädigt sein könnten) oder lassen Sie das Auto ganz stehen. Befinden Sie sich bei Beginn der Erschütterungen am Fuße eines Steilhanges, dann bewegen Sie sich umgehend von diesem weg, denn es besteht die Gefahr von Erdrutschen oder Steinschlag. Befinden Sie sich an einer flachen Küste und bemerken dort Erdbebenerschütterungen, dann rennen Sie so schnell wie möglich landeinwärts auf möglichst höheres Niveau. Das Erdbeben kann unter Umständen bis zu 30 Meter hohe  Meereswogen auslösen, sogenannte Tsunamis. Diese treffen manchmal erst lange nach Abklingen der Bebenerschütterungen ein. Auch kann eine zweite Woge wesentlich später folgen. Deshalb verlassen Sie Ihren erhöhten Zufluchtsort erst, wenn offiziell eine Tsunami-Entwarnung gegeben wird.

Unterwegs in Risikoregionen: Wie verhalte ich mich bei einem Erdbeben?

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9. Wie viel Energie wird bei einem Beben freigesetzt?

Bei einem Erdbeben der Magnitude 3, einem Beben, das der Mensch unter günstigen Bedingungen noch spüren kann, wird z.B. eine seismische Energie von ca. zwei Milliarden Joule freigesetzt. Dies entspricht 555,6 Kilowattstunden (kWh). Mit jeder weiteren Magnitudenstufe erhöht sich die Energie um den Faktor 30.

Im Jahr 2010 betrug der durchschnittliche Energieverbrauch eines Privathaushaltes 66 GJ oder umgerechnet 18,335 MWh . Dies würde einer Erdbebenmagnitude von 4 entsprechen. Ein schadensträchtiges Beben der Magnitude 7 setzt bereits eine seismische Energiemenge von 450 Gigawattstunden frei, 10 Prozent der jährlichen elektrischen Energie, die ein Block eines modernen Kohlekraftwerks bereitstellt.

Insgesamt verbrauchten 2011 alle privaten Haushalte in Deutschland 2194 PJ (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 10/2012), was in etwa einem Beben der Magnitude 9 entspricht.

10. Wie groß ist die Erdbebengefährdung in Deutschland?

Die Erdbebengefährdung in Deutschland ist im globalen Vergleich zwar relativ gering, aber nicht vernachlässigbar. Insbesondere im Rheingebiet, auf der Schwäbischen Alb sowie in Ostthüringen und Westsachsen mit dem Vogtländischen Schwarmbebengebiet kommt es immer wieder zu kleineren Erdbeben. Deutlich fühlbare oder gar schadenverursachende Erdbeben gehören in Deutschland allerdings zu den seltenen Ereignissen.

11. Welches war das stärkste Beben in Deutschland?

Das stärkste historisch nachgewiesene Erdbeben mit einer Magnitude von schätzungsweise 6,1 ereignete sich am 18.2.1756 im deutschen Teil der Niederrheinischen Bucht im Raum Köln-Aachen-Düren. Würde sich ein ähnlich starkes Erdbeben wie das von 1756 heute an gleicher Stelle ereignen, dann wären die Auswirkungen aufgrund der höheren Bevölkerungsdichte deutlich gravierender. Köln hatte 1750 beispielsweise mit weniger als 50.000 Einwohnern knapp ein Zwanzigstel der heutigen Bevölkerung. Eines der stärksten Erdbeben in Deutschland der jüngeren Vergangenheit ereignete sich am frühen Morgen des 13. April 1992 im deutsch-niederländischen Grenzgebiet. Das Epizentrum lag vier Kilometer südwestlich von Roermond in den Niederlanden, der Herd des Bebens mit der Stärke 5,9 befand sich in einer Tiefe von 18 Kilometern. In Nordrhein-Westfalen wurden mehr als 30 Personen vor allem durch herabfallende Dachziegel und Schornsteine verletzt.

12. Was bedeutet Epizentrum?

Das Epizentrum befindet sich an der Erdoberfläche senkrecht über einem Erdbebenherd (Hypozentrum), dem Ort in der Erdkruste, wo der Bruch beginnt sich auf der Bruchfläche auszubreiten.

13. Was ist die Intensität eines Erdbebens?

Es gibt in der Erdbebenforschung zwei Skalen, um Erdbeben bzw. Erdbebenerschütterungen zu klassifizieren und oft werden beide verwechselt. Zum einen gibt es die Magnitudenskala. Sie ist ein Maß für die beim Bruchprozess freigesetzte Energie im Erdbebenherd. Die Intensitätsskala hingegen klassifiziert die Erschütterungen/Schwingungen an einem beliebigen Ort auf der Erdoberfläche nach der Art der Erschütterungswahrnehmungen durch Menschen und dem Grad der Erdbebenschäden. Diese Intensitätsskala wird manchmal auch nach ihren Autoren abgekürzt als MSK oder MM bezeichnet, bzw. die neueste Version für Europa auch als EMS98.

Die Intensitätsskala unterteilt Erdbeben in zwölf Klassen. Eine Intensität von 12 entspricht einem Totalschaden. Wenn die entsprechenden maximalen Erschütterungen nicht für eine beliebige Entfernung vom Erdbebenherd, sondern für den Bereich direkt über diesem, im sogenannten Epizentrum, gemeint sind, dann spricht man von der sogenannten Epizentralintensität I0. Sie ist in der Regel die größte bei einem Beben beobachtete Intensität. Die Erdbebenintensitätsskala ist aufgrund ihres räumlichen Charakters vergleichbar mit der Windstärkeskala nach Beaufort, die ebenfalls 12 Klassen hat. Die Skala reicht von Windstille bis zum verheerenden Orkan.

14. Was ist eine Erdbebenmagnitude?

Die Magnitude ist das logarithmische Maß für die seismische Energie, die bei einem Erdbeben im Erdbebenherd freigesetzt wird. Zur Bestimmung der Magnitude müssen die Bodenbewegungen als Seismogramme mit Seismometern gemessen werden. Eine Erhöhung der Magnitude um eine Einheit entspricht einer Vergrößerung der Bodenbewegung um den Faktor 10 und einer Erhöhung der Energie auf etwa das 30fache. Während die Magnitude ein Maß für die freigesetzte Energie im Erdbebenherd ist, klassifiziert eine Intensität die Erschütterungen an einem beliebigen Ort auf der Erdoberfläche.

15. Was ist eine Richter-Skala?

Dabei handelt es sich um eine vom amerikanischen Seismologen Charles Francis Richter 1935 entworfene Magnituden-Skala für Kalifornien. Sie ordnet die mit einem speziellen Seismographen (Wood Anderson Seismograph) gemessene Bodenbewegung der erstankommenden Wellen logarithmisch ein. Die Richter Skala wurde ursprünglich für Stationen in wenigen hundert Kilometer Entfernung definiert. In den Folgejahren wurden weitere Magnitudenskalen entwickelt, bei denen Stationen in größeren Entfernungen einbezogen und teilweise andere Wellentypen ausgewertet werden.

16. Welches war das stärkste jemals gemessene Beben?

Das Shaanxi-Erdbeben in China von 1556 gilt als das verheerendstes Beben in der Menschheitsgeschichte mit ca. 830.000 Toten und einer geschätzten Magnitude von 8. Das stärkste Beben der letzten hundert Jahre fand in Chile am 22.5.1960 mit einer Magnitude (Momentmagnitude) von 9,5 statt. Am 28.3.1964 ereignete sich in Alaska im Prince William Sound ein Beben der Magnitude von 9,1. Weitere Starkbeben ereigneten sich am 26.12.2004 im Indischen Ozean vor der Nordostküste Indonesiens mit einer Magnitude von 9,2 und am 11.03.2010 im Pazifik vor der Ostküste Japans mit einer Magnitude von 9,0. Alle vier Erdbeben ereigneten sich untermeerisch und lösten verheerende Tsunamis aus.

17. Welche Magnitudenangaben werden unterschieden?

Die Lokalbebenmagnitude (ML) wird aus den erstankommenden Wellen nur an relativ nahe gelegenen Messstationen bestimmt. Normalerweise gilt diese Magnitudenskala für Entfernungen bis einige hundert Kilometer zwischen Beben und Station. Dagegen verwendet die Raumwellen-Magnitude (mb) seismische Wellen, die durch das tiefe Erdinnere laufen und an Stationen aufgezeichnet werden, die mehr als 2000 km entfernt sind. Die Ermittlung dieser Magnitude erfolgt immer noch sehr schnell. Für starke Erdbeben (> mb 6) gilt die Raumwellen-Magnitude jedoch als gesättigt, so dass die Magnitude sich kaum mehr erhöht, obwohl das Erdbeben sehr viel stärker war.

Oberflächenwellen laufen relativ langsam entlang der Erdoberfläche (Geschwindigkeiten von etwa 3-4 km/s verglichen mit 8-14 km/s für die Raumwellen im Erdinnern), können aber in großen Entfernungen zum Erdbebenherd noch gut gemessen werden. Die aus diesen Wellen bestimmte Oberflächenwellen-Magnitude (MS) sättigt erst bei stärkeren Erdbeben, und wurde lange Zeit zur Charakterisierung von Starkbeben verwendet. Die langsame Ausbreitungsgeschwindigkeit bedingt jedoch, dass MS erst einige Zeit nach dem Erdbeben vorliegt. Heutzutage werden Erdbeben und stärkere Erdbeben vor allem mit der Momentenmagnitude (Mw) charakterisiert, die nicht mehr sättigt und direkt mit den physikalischen Parametern am Erdbebenherd verknüpft werden kann. Zur Bestimmung dieser Magnitude werden in der Regel theoretische Seismogramme für die Erde berechnet und mit Beobachtungen verglichen. Bei Starkbeben werden im Wesentlichen Oberflächenwellen verglichen, weshalb auch Mw nicht unmittelbar nach Eintreten des Erdbebens vorliegen kann.

18. Können Wohngebäude so errichtet werden, dass sie Erdbeben standhalten?

Einen vollkommenen Schutz vor Erdbeben gibt es nicht. Dennoch helfen geeignete Baumaßnahmen, die Einsturzgefährdung eines Bauwerks auch bei starken Beben erheblich zu reduzieren. Vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung von Stahlträgern beim Bau in erdbebengefährdeten Gebieten. Weltweite Standards gibt es jedoch nicht, aber zumindest für Europa wurden die Anforderungen zur Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben zusammengefasst (EUROCODE 8). Für Hochbauten, Brücken, Rohrleitungen, Türme und Schornsteine wurden hier entsprechende Sicherheitsstandards festgelegt. Eine weitere innovative Methode wird in folgendem ESKP-Beitrag vorgestellt: "Smarte technische Textilien schützen Häuser bei Erdbeben".

19. Warum kann sich der Untergrund bei einem Erdbeben verflüssigen?

Besteht der Untergrund aus unverfestigten Sedimenten, also zum Beispiel aus Sand- oder auch Kies, kann es passieren, dass sich durch die kurzzeitige Kontraktion des Sediments beim Durchgang der Erdbebenwellen die Sandkörner verdichten. Das in Poren und Zwischenräumen eingeschlossene Wasser verhindert dies jedoch und drängt die Körner auseinander, so dass diese ihren Kontakt verlieren. Die Festigkeit des Sediments wird reduziert und der Untergrund verflüssigt sich. Das heißt, das Sediment verhält sich für kurze Zeit wie eine Flüssigkeit. Gebäude, die auf dem Sediment stehen, bewegen sich im Extremfall vor und zurück wie ein Schiff an der Hafenmauer oder sinken ein. Ebenso werden Bodenmassen aus Spalten gepresst.

Der Effekt der Bodenverflüssigung lässt sich im Kleinen beispielsweise auch am Sandstrand in der Nähe zur Wasserlinie nachvollziehen. Wird auf den feuchten, wenn auch zunächst festen Sandboden mehrfach an eine Stelle getreten, verflüssigt sich der mechanisch beanspruchte Bereich. Der Sand wird matschig, es entsteht ein Sand-Wasser-Brei.

Bei einem Erdbeben in neusseeländischen Christchurch im Februar 2011 verursachte ein verhältnismäßig schwaches Beben der Stärke 6,2 enorme Schäden durch Bodenverflüssigungen. Einige Gebäude stürzten ein oder wurden durch die eindringenden Schlammmassen unbewohnbar. Bodenverflüssigung wurde auch bei den Erdbeben im Mai 2012 in der italienischen Po-Ebene (Emilia-Romagna) beobachtet.

20. Was ist der Pazifische Feuerring?

Ecuador 1906, Kamschatka (Russland) 1952, Valdivia (Chile) 1960, Alaska (USA) 1964, Maule (Chile) 2010, Tohoku (Japan) 2011 – alle diese Erdbeben haben zwei Dinge gemeinsam. Sie gehören zu den stärksten bisher gemessenen Erdbeben auf unserem Planeten. Und sie ereigneten sich alle rund um den Pazifik, am sogenannten "Pazifischen Feuerring". Der Pazifische Feuerring zieht sich über ca. 40.000 Kilometer rund um den Pazifischen Ozean, von Alaska bis Südamerika und von Neuseeland bis zur russischen Halbinsel Kamtschatka. Da die meisten Bebenherde dort unter dem Meeresboden liegen, können sie außerdem zerstörerische Tsunamis auslösen. Damit gehören die Küstenländer rund um den Pazifik zu den am meisten von Erdbeben bedrohten Regionen der Erde. Siehe dazu auch den ESKP-Grundlagenartikel "Pazifischer Feuerring".
 

Die Fragen wurden beantwortet von Prof. Dr. Torsten Dahm und Prof. Dr. Frederik Tilmann, Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ).

Die Erdbeben werden am Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) vom Geoforschungsnetzwerk (GEOFON) aufgezeichnet.

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