15. Okt. 2019
Blick nach dem Erdbeben vom 24. August 2016 über den Corso Umberto I in Amatrice auf den mittelalterlichen Uhrenturm.

Blick nach dem Erdbeben vom 24. August 2016 über den Corso Umberto I in Amatrice auf den mittelalterlichen Uhrenturm.

Nach starken Beben wollen die Menschen in der Regel wissen, ob sie es überstanden haben oder ob der wirkliche Erdstoß erst noch kommt. Die Seismologen haben bislang keine zuverlässige Antwort, denn es gibt kein physikalisches Kennzeichen, das Haupt- von Vorbeben unterscheidet. Zwei Seismologen vom Schweizer Erdbebendienst in Zürich stellen in "Nature" jetzt ein statistisches Verfahren vor, mit dem man möglicherweise einer Antwort näherkommen kann.

Wie aus heiterem Himmel traf um 3:38 Uhr des frühen 24. August 2016 ein starkes Erdbeben mit Magnitude 6,0 das mittelalterliche Städtchen Amatrice in den grünen Bergen der italienischen Marken. 300 Menschen starben in ihren Häusern, zahlreiche historische Gebäude wurden schwer beschädigt, die Uhr des kommunalen Uhrenturms aus dem 13. Jahrhundert blieb auf dem Zeitpunkt des Bebens stehen. Es war das stärkste Beben in der Region seit dem verheerenden L'Aquila-Erdstoß von 2009 und doch nur der Auftakt zu einer Serie, die erst im Januar 2017 zu einem vorläufigen Ende kam. Am 30. Oktober entlud sich das Hauptbeben der Sequenz mit einer Momentmagnitude von 6,5 und fast der sechsfachen Energie des Amatrice-Bebens unter dem 25 Kilometer entfernten Norcia. Schwere Zerstörungen dort und in den bereits zuvor getroffenen Orten waren die Folge.

Die Mauern der Burg Kumamoto auf Kyushu zwischen dem Donjon und dem Kato-Schrein, die beim Erdbeben in Kumamoto zerstört wurden.

Die Mauern der Burg Kumamoto auf Kyushu zwischen dem Donjon und dem Kato-Schrein, die beim Erdbeben in Kumamoto zerstört wurden.

Bild: Wikimedia Commons/hyolee2 (CC BY-SA 3.0)
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Die Mauern der Burg Kumamoto auf Kyushu zwischen dem Donjon und dem Kato-Schrein, die beim Erdbeben in Kumamoto zerstört wurden.

Bild: Wikimedia Commons/hyolee2 (CC BY-SA 3.0)

Über Monate musste der italienische Erdbebendienst die Menschen der Region, die Zivilschutzbehörden und die Kommunalverwaltungen darüber im Unklaren lassen, ob sie das Schlimmste bereits überstanden oder noch zu erwarten hatten. "Wissenschaftlich ist es bisher nicht möglich in einer laufenden Serie zu entscheiden, ob das Hauptbeben bereits stattgefunden hat oder ein größeres Ereignis erst noch bevorsteht", schreiben Laura Gulia und Stefan Wiemer vom Schweizer Erdbebendienst (SED) in der aktuellen "Nature". Sie stellen dort eine statistische Methode vor, die mit ausreichender Sicherheit zeigen könnte, ob eine Bebenserie ihren Höhepunkt bereits hinter sich hat. Auf dieser Basis könnte man noch während des Geschehens eine verlässliche Mitteilung an Bevölkerung und Zivilschutz absenden.

Änderung im b-Wert als Grundlage der Warnung

Grundlage ist ein Element der Gutenberg-Richter-Relation, die den statistischen Zusammenhang zwischen Magnitude und Häufigkeit von Erdbeben wiedergibt. Es handelt sich um den sogenannten b-Wert, der so etwas wie das Erdbebenprofil einer bestimmten Region angibt. Konkret misst er die Häufigkeitsverteilung der Beben unterschiedlicher Magnitude auf einer logarithmischen Skala. "Wo natürliche Seismizität auftritt, erwarten wir einen b-Wert von etwa 1", erklärt Lars Ceranna, Seismologe bei der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover, die für die Bundesrepublik das Pendant zum SED betreibt. Tatsächlich liegt der b-Wert je nach Region zwischen 0,8 und 1,5, ist dann aber charakteristisch für die dortige Bebentätigkeit. Liegt der Wert über 1, gibt es mehr schwache Beben als von der Standardverteilung vorhergesagt, liegt er unter 1, ist der Anteil der starken Beben gegenüber der Standardverteilung erhöht.

Gulia und Wiemer berichten jetzt über eine statistisch signifikante Änderung des b-Wertes nach einem starken Beben. Im Normalfall, nämlich wenn sich durch das Beben Spannungen entlang einer Störung abgebaut haben, steigt der b-Wert um rund 20 Prozent: der Anteil der schwachen Beben vergrößert sich beträchtlich. "Unsere Hypothese lautet, dass Bebenserien beobachtet werden sollten, bei denen sich der b-Wert nach einem Starkbeben nicht so entwickelt, weil dann dort ein stärkeres Beben droht", schreiben die beiden SED-Seismologen in "Nature". Bei ausreichender Dichte des seismologischen Netzes und leistungsfähiger Auswertung könne man bei laufender Erdbebenserie eine entsprechende Information an Zivilschutz und Bevölkerung herausgeben, etwa in Form einer Erdbebenampel. Grün hieße, dass das Hauptbeben tatsächlich bereits stattgefunden habe, Rot dagegen, dass "The Big One" erst noch komme. Gelb wäre für die Fälle reserviert, in denen man eine eindeutige Aussage noch nicht treffen könne und daher weitere Messungen abwarten müsse.

"Die Autoren verfolgen da eine interessante Idee", kommentiert BGR-Seismologe Lars Ceranna, der an der Forschung nicht beteiligt ist. Sebastian Hainzl, Seismologe am Deutschen Geoforschungszentrum GFZ in Potsdam, der auch auf diesem Gebiet forscht, an dem Projekt allerdings nicht beteiligt ist, ergänzt per Mail: "Die Stärke der Analyse liegt in ihrer Einfachheit: Es wird gezeigt, dass der einfach berechenbare b-Wert scheinbar eine sehr gute Diskriminierungsmöglichkeit bezüglich der Frage bieten kann, ob eine Sequenz Vorbeben darstellen. Die vorgeschlagene Ampel kann sehr hilfreich für Entscheidungsträger sein."

Umfassendes und leistungsfähiges Seismometernetz ist Voraussetzung

Die Schwierigkeit liegt dann allerdings im Detail. Um zutreffende Aussagen machen zu können, müssen lange und vor allem sehr detaillierte Messungen des jeweiligen b-Wertes vorliegen. "Die optimale Datengrundlage für den Basis-b-Wert sollte Ereignisse der letzten Jahre, am besten der letzten Jahrzehnte umfassen", schreibt Erstautorin Laura Gulia vom SED in einer E-Mail, "wichtiger ist sogar noch die Qualität der Daten in Bezug auf Vollständigkeit, Erdbebenverortung und -magnitude." Dafür allerdings sind entsprechend dichte und leistungsfähige seismologische Netzwerke nötig. "Man bräuchte ein recht engmaschiges Netz, mit einem Abstand zwischen den einzelnen Stationen von 20 bis maximal 30 Kilometer, um so eine Vollständigkeit bei der Messung der Seismizität ab einer Magnitude von 2,0 flächendeckend sicherzustellen.", erklärt BGR-Seismologe Lars Ceranna. Entsprechend gering ist die Zahl der Hochrisiko-Bebenzonen, in denen ein solches Verfahren sinnvoll eingesetzt werden kann. "Momentan können es nur wenige Länder nutzen: Kalifornien, Japan und Italien, wo wir es auch getestet haben", so Gulia.

Einer der Testfälle, an denen Gulia und Wiemer ihre Hypothese überprüften, war die Amatrice-Norcia-Bebenserie. Ein weiterer die Bebenserie in Kumamoto auf der südlichen japanischen Insel Kyushu, wo im April 2016 innerhalb von nur 28 Stunden Beben der Magnitude 6,5 und 7,3 aufeinanderfolgten. "Jüngst konnten wir unsere Methode auch in Kalifornien testen, bei den Ridgecrest-Beben am 4. und 6. Juli", so Gulia. Die Stadt im wüstenhaften Indian Wells Valley im Süden des Bundesstaates wurde erst von einem 6,4-, dann von einem 7,1-Beben getroffen.

Belastungstest in Echtzeit steht noch aus

Ein wirklicher Test war jedoch noch keiner der drei Fälle, denn die Methode hat nirgends in Echtzeit und in einer laufenden Bebensequenz ihren Wert unter Beweis stellen müssen. Das ist für Sebastian Hainzl der Haupteinwand: "Die Schwäche ist, dass die getroffenen Aussagen nur auf rückblickenden Analysen basieren. Es ist bisher nicht gezeigt worden, ob in einer Real-Time-Anwendung die Ampel-Farbe stabil ist oder fluktuieren würde." Das sieht auch Laura Gulia so: "Ja, wir brauchen weitere Tests, vor allem in real time