31.03.2025

Wie Erdbeben ihre Energie verteilen

Untersuchung zur Energieausbreitung von Erdbebenwellen weist auf hohe Gefährdung Istanbuls hin.

Erdbeben sind ein natürliches Phänomen, das vor allem in dicht besiedelten Regionen verheerende Auswirkungen haben kann. Die Kenntnis über die Bruchausbreitung während eines Bebens und die daraus resultierende Richtung der Energieausbreitung sind von entscheidender Bedeutung, um die Risiken von Erdbeben ortsabhängig zu bestimmen und mögliche zerstörerische Auswirkungen durch bessere Vorsorge zu mindern. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die von seismischen Wellen transportierte Energie in Bruch-Richtung stärker und in anderen Richtungen schwächer sein kann. Das hat je nach Ort des Bebens und Lage von anfälliger Infrastruktur erhebliche Auswirkungen auf das Schadenspotenzial in bewohnten Regionen.

Abb.: Marmararegion mit der Megacity Istanbul und der Hauptmarmararisslinie... — Abb.: Marmararegion mit der Megacity Istanbul und der Hauptmarmararisslinie (rote Linie). Orange Kreise: Erdbeben, für die die Richtwirkung geschätzt wurde. Schwarze Pfeile: bevorzugte Richtung der Bruchorientierung.
Quelle: X. Chen / GFZ

Solche Richtungseffekte untersuchte ein Forschungsteam um Xiang Cheng und Patricia Martínez-Garzón vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam in einer neuen Studie. Sie analysierten 31 gut erfasste Beben der Stärke ML > 3,5 unterhalb des Marmara-Meeres südwestlich vor der Megacity Istanbul. Kleinere Erdbeben treten häufiger auf. Bei entsprechend guter Überwachung durch dichte Seismometernetze können sie daher detailliert untersucht werden. Sie stellen eine Blaupause für „große“ Beben dar, die seltener auftreten, aber größere Auswirkungen haben.

In seiner Studie setzte das Forschungsteam Techniken zur Modellierung seismischer Wellenformen ein, um aus dem Vergleich der modellierten mit gemessenen Wellen Quellmechanismen und Richtungseffekte von moderaten Erdbeben in der Region Istanbul-Marmara zu berechnen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten der untersuchten Erdbeben unter dem Marmarameer westlich von Istanbul eine überwiegend ostwärts gerichtete asymmetrische Bruchausbreitung aufweisen. Das bedeutet, dass sich entlang der Verwerfung mehr Energie in Richtung der Metropole ausbreitet. Die gemittelte Richtungsneigung der Brüche liegt bei 85°N (gemessen rechtsweisend gegen Nord) und entspricht damit genau dem Verlauf der Marmara-Hauptverwerfung, aber eben stärker ost- als westwärts. „Diese Richtungstendenz deutet darauf hin, dass der Boden in Istanbul bei solchen seismischen Ereignissen stärker erschüttert wird“, sagt Xiang Chen, Erstautorin der Studie und während der Untersuchungen Postdoc-Wissenschaftlerin am GFZ.

Diese Informationen sind besonders wichtig, da die Marmara-Hauptverwerfung überfällig für ein Starkbeben ist. Die Sorge über dessen mögliche Auswirkungen wird durch die aktuelle Studie nicht kleiner: „Je nachdem, wo ein zukünftiges großes Erdbeben seinen Ausgangspunkt hat, könnten diese asymmetrischen Bruchmuster zu verstärkten Bodenbewegungen in Richtung des Stadtzentrums von Istanbul führen“, so Patricia Martínez-Garzón, Arbeitsgruppenleiterin in der GFZ-Sektion „Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren“ und korrespondierende Autorin der Studie.

Bei der Erstellung von seismischen Gefährdungskarten für bestimmte Regionen wird die richtungsabhängige Energieausbreitung bei Erdbeben bisher nicht berücksichtigt. „Wir sehen die Berücksichtigung von diesen sogenannten Direktivitätseffekten in der nächsten Generation von Erdbebengefährdungskarten vor, was entscheidend für bessere Vorsorge im Hinblick auf zukünftige Erdbeben ist“, sagt Fabrice Cotton, Mitautor der Studie und Leiter der GFZ-Sektion 2.6 „Seismische Gefährdung und Risikodynamik“.

Die gemessenen Daten für die aktuelle Studie stammen zum Teil vom Plattenrand-Observatorium GONAF (Geophysical Observatory at the North Anatolian Fault, Geophysikalisches Observatorium an der Nordanatolischen Verwerfungszone), welches das GFZ in Zusammenarbeit mit der türkischen Katastrophenschutzbehörde (AFAD) seit 2015 in der Marmara-Region betreibt. Mit verschiedenen Arten von Instrumenten, darunter auch Seismometer, die in dort platzierten Bohrungen eingelassen sind, wird die Bebenaktivität in der Region nunmehr hochgenau beobachtet und vermessen.

„Ein Hauptziel unseres Observatoriums ist es, die kleinen und mittleren Erdbeben in der Marmara-Region besser zu erfassen, um so gut wie möglich vorbereitet zu sein, wenn ein großes Erdbeben in der Nähe von Istanbul auftritt“, fügt Marco Bohnhoff, Leiter der Abteilung 4.2 „Geomechanik und wissenschaftliches Bohren“ und Leiter des geophysikalischen Observatoriums GONAF, hinzu.

Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Notwendigkeit für Stadtplaner, politische Entscheidungsträger und Katastrophenschutzkoordinatoren, detailliertere seismische Risikobewertungen in ihre Planungen einzubeziehen. „Die Bewertung potenzieller Erdbebenauswirkungen auf der Grundlage verbesserter wissenschaftlicher Methoden kann die Widerstandsfähigkeit der Infrastruktur und der Gemeinden Istanbuls drastisch erhöhen und damit Schäden und Opferzahlen reduzieren“, betont Patricia Martínez-Garzón.

Diese Forschungsarbeit wirft nicht nur ein Licht auf das seismische Verhalten der Marmara-Hauptverwerfung in der Nähe von Istanbul, sondern dient auch als kritische Erinnerung an die ständige Bedrohung, die Erdbeben für städtische Gebiete weltweit darstellen. Da die Städte aufgrund der steigenden Bevölkerungsdichte und der Herausforderungen an die Infrastruktur immer anfälliger werden, ist das verbesserte Verständnis der Bruchprozesse von Erdbeben für ihren Schutz von entscheidender Bedeutung.

GFZ / DE