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Japan - Beben-, Tsunami- und Reaktorkatastrophe März 2011

Das Beben der Stärke 8,9 etwa 130 Kilometer vor der Küste Japans erschütterte besonders die Hafenstadt Sendai heftig. Entlang der Küste brachen in Raffinerien, aber auch in vielen Ortschaften Brände aus. Das Beben war heftig, doch durch die Entfernung des Bebens von der Küste blieben massive Schäden aus.

Erdbeben - das Beispiel Sumatra

Erdbeben treten besonders häufig an den Grenzen zweier Platten der Erdkruste auf.

Erdbeben-Messung

Schon seit 100 Jahren lassen sich Erdbeben mit Hilfe von Messgeräten, sogenannten Seismometern messen. Ein Seismometer misst die Bebenwellen, die von sich verschiebendem oder brechenden Gesteinsmassen ausgehen und sich über weite Entfernungen im Gestein ausbreiten.

(alle Grafiken USGS)

Steigt zum Beispiel Magma in einem Vulkan auf (rechts), so üben flüssiges Gestein und die enthaltenen Gase Druck auf das umliegende Gestein aus (Mitte). Durch den Druck entstehen Risse und Spalten, was Bebenwellen auslöst (links)

Ein auch heute noch üblicher Seismometer zeichnet die Bebenwellen als Zickzack-Ausschläge auf einer langen Papierbahn auf. Je stärker die eintreffenden Bebenwellen, desto größer die Ausschläge.

Seismometer (hier ein tragbares Gerät)
USGS

Quellen:

• USGS

Quellen:
USGS
u.a.

Quellen:
USGS
u.a.

Erdbeben-Stärke

Die Ursprünge: die Richter Skala:
Charles Francis Richter entwickelte 1935 eine Skala zur Stärkemessung von Erdbeben.
Die Stärke, oder Magnitude (M) wird mit den Zahlen ab 1 angegeben, es wird die beim Erdbeben freigesetzte Energiemenge bewertet.
Dabei ist ein Beben der Magnitude 2 zehn Mal stärker ist, als ein Beben der Stärke 1!
Die Richter-Skala misst nur einen schmalen Bereich der Erdbebenwellen und ist nur für relativ nahe Erdbeben bis 1000 Kilometer Entfernung geeignet.

•  
• Stärke 1-2:  nur mit Messinstrumenten nachweisbar
• Stärke 3: nur nahe am Bebenherd spürbar
• Stärke 4-5: ca. 30 Kilometer um das Bebenzentrum herum spürbar, manchmal kleinere Schäden
• Stärke 6:  mittleres Beben, es sind Todesopfer und deutliche Gebäudeschäden  möglich
• Stärke 7: starkes Beben mit manchmal katastrophalen Schäden
• Stärke 8: sehr schweres Beben
• Stärke 9 und höher: bisher nicht gemessen!

Bodenverschiebung um über 2,5 Meter beim San Francisco-Beben 1908
(courtesy USGS)

Der Standard: die Moment-Magnitude
Mit der Moment-Magnitude (Mw) wird der gesamte Bereich der an einem Messort eintreffenden Erdbebenwellen gemessen. Mit der Moment-Magnitude werden die Größe des Erbebenherdes, die auftretende Verschiebung im Gestein und die Gesteinsfestigkeit berücksichtigt. Ergebnisse liegen hier nicht sofort vor, da alle nacheinander eintreffenden Bebenwellen in die Mw eingerechnet werden müssen.
Die Moment-Magnitude ist inzwischen ein Standard-Messverfahren.

Sie wird ebenfalls von 1- 9 (und höher angegeben).

Das Maß der Zerstörung: die (modifizierte) Mercalli-Skala

• Stärke I: nicht vom Menschen spürbar
• Stärke II:  kaum spürbar, höchstens in hohen Gebäuden
• Stärke III: wird von vielen bemerkt, in Räumen schwanken Lampen
• Stärke IV: wird allgemein bemerkt, Geschirr klappert, parkende Autos ruckeln
• Stärke V: wird bemerkt, Menschen werden geweckt, Türen gehen von selbst auf, Geschirr zerbricht,...
• Stärke VI: jeder bemerkt das Beben, Möbel bewegen sich, man hat Schwierigkeiten aufrecht zu gehen, keine strukturellen Schäden an Gebäuden
• Stärke VII: Stehen macht Schwierigkeiten, leichte Gebäudeschäden

Auswirkungen einer Verschiebung entlang eines Bruches
(©Steven Dutch, Natural and Applied Sciences, University of Wisconsin - Green Bay)

• Stärke VIII: Autos sind kaum noch steuerbar, Türme können einstürzen, Baumwipfel können brechen, der Wasserstand in Brunnen kann sich ändern
• Stärke IX: deutliche Gebäudeschäden, einige unterirdische Versorgungsleitungen werden zerstört, Spalten  im Boden,...
• Stärke  X: massive Gebäudeschäden, Brücken können einstürzen, Dämme werden schwer beschädigt, größere Landrutschungen treten auf,...
• Stärke XI: die meisten Gebäude werden zerstört, Brücken stürzen ein, große Spalten im Boden, alle unterirdischen Leitungen sind zerstört
• Stärke XII: alles wird zerstört, Gegenstände werden durch die Luft geschleudert, große Bodenbewegungen

Quellen:
http://earthquake.usgs.gov
http://www.seismo.unr.edu

Erdbeben-Katastrophe in Haiti - 180.000 Tote

Am 12.01.2010 erschütterte ein Beben der Stärke 7.0 mit einer Herdtiefe von nur 13 Kilometern und einer Dauer der Erdstöße von ca. 35 Sekunden die Region um Port-au-Prince auf Haiti.

Angegeben sind die zu erwartenden Schäden nach der modifizierten Mercalli-Skala
(Ins Bild klicken für höhere Auflösung; Karte USGS)

Nach Schätzungen der Behörden (Ferbruar 2010) sind mindestens 180.000 Menschen umgekommen, mehrere Millionen wurden direkt von den Zerstörungen betroffen.

Allein zweieinhalb Millionen Menschen befanden sich zum Zeitpunkt des Bebens in einem Bereich, in dem es laut Mercalli-Skala zu deutlichen bis massiven Gebäudeschäden kommt. Weitere zwei Millionen Menschen wurden von leichteren bis mittleren Schäden betroffen.

Eingekeilt zwischen amerikanischer und Naszca-Platte liegt die karibische Platte: zwei lila gefärbte Subduktionszonen und mehrere Transformverwerfungen prägen die langjährige Erdbebengeschichte Haitis, der östl. liegenden Dominikanischen Republik und der westl. liegenden Insel Kuba.
(Karte USGS)

Es traten maximale Oberflächenbeschleunigungswerte von 60-80 cm pro Sekunde auf, so schnell bewegte sich der Untergrund im Höchstfall unter den Gebäuden.

Mehr Infos:

• Plattentektonik
• Erdbebenstärke

Erdbeben-Messung

Schon seit 100 Jahren lassen sich Erdbeben mit Hilfe von Messgeräten, sogenannten Seismometern messen. Ein Seismometer misst die Bebenwellen, die von sich verschiebendem oder brechenden Gesteinsmassen ausgehen und sich über weite Entfernungen im Gestein ausbreiten.

(alle Grafiken USGS)

Steigt zum Beispiel Magma in einem Vulkan auf (rechts), so üben flüssiges Gestein und die enthaltenen Gase Druck auf das umliegende Gestein aus (Mitte). Durch den Druck entstehen Risse und Spalten, was Bebenwellen auslöst (links)

Ein auch heute noch üblicher Seismometer zeichnet die Bebenwellen als Zickzack-Ausschläge auf einer langen Papierbahn auf. Je stärker die eintreffenden Bebenwellen, desto größer die Ausschläge.

Seismometer (hier ein tragbares Gerät)
USGS

Quellen:

• USGS

Erdbeben
Das Tsunami-Beben vor Sumatra (2004)

Erdbeben treten besonders häufig an den Grenzen zweier Platten der Erdkruste auf.

©Earthobservatory (auch Teile des unten stehenden Textes wurden übernommen)

Erdbeben durch Subduktion
Das Zentrum des Bebens (Stern) und die Nachbeben (Kreise) zeigen die Auswirkungen des Vorganges der Subduktion. Bei der Subduktion wird eine starre Erdplatte unter eine andere geführt, in diesem Fall die Indische Platte unter ein "kleines" Plattenteil vor der Eurasischen Platte, die Burma-Platte (-> mehr Infos). Ein Verhaken der Platten ineinander und ein plötzliches Brechen eines Plattenteiles erzeugten dieses massive Beben der Stärke 9,3 (nachträglich korrigiert).

Um bis zu 15 Meter bewegten sich Plattenteile und beschleunigten dabei gewaltige Wassermengen. Das erzeugte die Tsunami. Auf bis zu 1200 Kilometer Länge wurden über der Subduktionszone liegende, durch das erste Beben geschwächte Gesteinsschichten gelockert und bewegten sich stückweise. Das erzeugte eine Reihe von Nachbeben, die in der obigen Karte als Kreise eingezeichnet sind.

Besonders gefährdet für starke Nachbeben sind die Gebiete am Rand der Bebenzone, wo starke Spannungen in den Gesteinsschichten aufgebaut wurden. Noch nach über einem Jahr sind Beben mit einer Stärke von über 8 zu erwarten!

Spannungserdbeben ohne Subduktion
Nicht nur an Subduktionszonen, auch an konservativen Plattengrenzen (-> mehr Infos), etwa dem San Andreas-Graben treten häufig Spannungserdbeben auf.

Noch mehr Beben - Intraplattenbeben
Seltener und kaum je stärker als Amplitude 6-7 sind sogenannte Intraplattenbeben. Sie erzeugen Erschütterungen inmitten von kontinentalen Platten, weit ab von jeder Plattengrenze. Erklärt werden sie zumeist mit lokalem Spannungsaufbau oder Schwächezonen in der Kruste. Auch Spannungsumlagerungen von Plattengrenzen in die Patten hinein oder die Einflüsse von mächtigen Sedimentablagerungen von Flusssystemen wie dem Mississippi werden als Ursachen diskutiert (nach Schick). Messungen zeigen zudem, dass auch in Platten Stauchungs- und Dehnungsvorgänge durch Plattenbewegungen im Rahmen der Plattentektonik vorkommen (nach Frisch). Solche Stauchungen und Dehnungen führen zu Schwächezonen und Beben.
In Mitteleuropa können ohne Vorwarnung Beben der Stärke 6-7 auftreten. Sie sind sehr selten, etwa in der Schweiz mit einem unregelmäßigem Abstand von einigen tausend Jahren (nach Schnellmann).

Plattentektonik - der rote Faden

Der Mensch und das Beben - eine offene Bilanz

Beben töten!

Ohne Plattentektonik wäre die Erde tot!

Diese Aussage mag bei den bekannten Gefahren durch Erdbeben und Vulkanismus seltsam erscheinen. Dennoch ist nicht zu leugnen, dass ohne den Kreislauf der Neuschaffung und Zerstörung von Erdkruste in geologisch kurzer Zeit keine fruchtbaren Böden und keine dringend benötigten Rohstoffe mehr neu entstehen würden.

Vulkanische Böden sind besonders fruchtbar: aus Vulkanasche und Lava bilden sich unter Einfluss von Regen und Wärme Böden, die mineralstoffreich und wasserspeichernd sind und einen hohen Gehalt an Mineralstoffe speichernden Tonmineralien besitzen. Besonders in den bevölkerungsreichen Ländern der Dritten Welt werden solche Böden nahe an aktiven Vulkansystemen maximal genutzt. Hier sind Millionen Menschen in andauernder Gefahr. Die Wahrscheinlichkeit für immer größer werdende Schadensereignisse steigt damit.

Durch Vulkanaktivität entstandene Lagerstätten sind heiß begehrt: ob Platin, Titan oder Eisen in abgekühlten Magmakammern, Kupfer-, Nickel-, oder Mangananreicherungen an Heißwasserschloten an mittelozeanischen Rücken oder Salzlagerstätten an durch Plattenbewegungen entstandenen Schwächezonen, die Vielfalt ist unerschöpflich.

Baumaterial aus Vulkangestein wird in großen Mengen eingesetzt: ob leichter Tuff oder harter Basalt,...

Energie aus Vulkanen spart Treibhausgase: nicht nur in Island kann geothermische Energie kostendeckend eingesetzt werden, auch in Kalifornien (The Geysers, 1500 MW), Neuseeland (Wairakei, 200MW) oder Italien (Lardarello, 400 MW) wird in jungen Vulkangebieten Energie gewonnen.

Und die Zukunft?

Plate tectonic maps and Continental drift animations by C. R. Scotese,
PALEOMAP Project (www.scotese.com)

In 50-100 Millionen Jahren werden sich Afrika und Europa zu einem Kontinent vereinigt haben, in 150 Millionen Jahren auch Australien und die Antarktis.

Plate tectonic maps and Continental drift animations by C. R. Scotese,
PALEOMAP Project (www.scotese.com)

In etwa 250 Millionen Jahren könnte es wieder einen Superkontinent geben (nur ohne Austrarktis!?) mit einem schönen Binnenmeer von der Größe des heutigen Europa.

Plate tectonic maps and Continental drift animations by C. R. Scotese,
PALEOMAP Project (www.scotese.com)

Wann in ferner Zukunft das "innere Feuer" der Erde so weit abgekühlt sein wird, dass es keine MOR, keine Subduktion,... mehr geben wird ist ungewiss. Dann aber wird die Erde (vielleicht) "bebensicher", aber auch irgendwann unfruchtbar.

Erdbeben-Stärke

Die Ursprünge: die Richter Skala:
Charles Francis Richter entwickelte 1935 eine Skala zur Stärkemessung von Erdbeben.
Die Stärke, oder Magnitude (M) wird mit den Zahlen ab 1 angegeben, es wird die beim Erdbeben freigesetzte Energiemenge bewertet.
Dabei ist ein Beben der Magnitude 2 zehn Mal stärker ist, als ein Beben der Stärke 1!
Die Richter-Skala misst nur einen schmalen Bereich der Erdbebenwellen und ist nur für relativ nahe Erdbeben bis 1000 Kilometer Entfernung geeignet.

•  
• Stärke 1-2:  nur mit Messinstrumenten nachweisbar
• Stärke 3: nur nahe am Bebenherd spürbar
• Stärke 4-5: ca. 30 Kilometer um das Bebenzentrum herum spürbar, manchmal kleinere Schäden
• Stärke 6:  mittleres Beben, es sind Todesopfer und deutliche Gebäudeschäden  möglich
• Stärke 7: starkes Beben mit manchmal katastrophalen Schäden
• Stärke 8: sehr schweres Beben
• Stärke 9 und höher: bisher nicht gemessen!

Bodenverschiebung um über 2,5 Meter beim San Francisco-Beben 1908
(courtesy USGS)

Der Standard: die Moment-Magnitude
Mit der Moment-Magnitude (Mw) wird der gesamte Bereich der an einem Messort eintreffenden Erdbebenwellen gemessen. Mit der Moment-Magnitude werden die Größe des Erbebenherdes, die auftretende Verschiebung im Gestein und die Gesteinsfestigkeit berücksichtigt. Ergebnisse liegen hier nicht sofort vor, da alle nacheinander eintreffenden Bebenwellen in die Mw eingerechnet werden müssen.
Die Moment-Magnitude ist inzwischen ein Standard-Messverfahren.

Sie wird ebenfalls von 1- 9 (und höher angegeben).

Das Maß der Zerstörung: die (modifizierte) Mercalli-Skala

• Stärke I: nicht vom Menschen spürbar
• Stärke II:  kaum spürbar, höchstens in hohen Gebäuden
• Stärke III: wird von vielen bemerkt, in Räumen schwanken Lampen
• Stärke IV: wird allgemein bemerkt, Geschirr klappert, parkende Autos ruckeln
• Stärke V: wird bemerkt, Menschen werden geweckt, Türen gehen von selbst auf, Geschirr zerbricht,...
• Stärke VI: jeder bemerkt das Beben, Möbel bewegen sich, man hat Schwierigkeiten aufrecht zu gehen, keine strukturellen Schäden an Gebäuden
• Stärke VII: Stehen macht Schwierigkeiten, leichte Gebäudeschäden

Auswirkungen einer Verschiebung entlang eines Bruches
(©Steven Dutch, Natural and Applied Sciences, University of Wisconsin - Green Bay)

• Stärke VIII: Autos sind kaum noch steuerbar, Türme können einstürzen, Baumwipfel können brechen, der Wasserstand in Brunnen kann sich ändern
• Stärke IX: deutliche Gebäudeschäden, einige unterirdische Versorgungsleitungen werden zerstört, Spalten  im Boden,...
• Stärke  X: massive Gebäudeschäden, Brücken können einstürzen, Dämme werden schwer beschädigt, größere Landrutschungen treten auf,...
• Stärke XI: die meisten Gebäude werden zerstört, Brücken stürzen ein, große Spalten im Boden, alle unterirdischen Leitungen sind zerstört
• Stärke XII: alles wird zerstört, Gegenstände werden durch die Luft geschleudert, große Bodenbewegungen

Quellen:
http://earthquake.usgs.gov
http://www.seismo.unr.edu