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Mikrozonierung (Seismologie)

Isolinien der Intensität mit Auswirkungen der Mikrozonierung. Quelle: Erdbebendienst RLP.
Mikrozonierung Lörrach (Verstärkung 0,4 - 5,0), ermittelt aus H/V-Spektren. Quelle: Pohl.

Die Mikrozonierung stellt ein relativ junges Arbeitsgebiet der Seismologie im Grenzbereich von Ingenieurseismologie und Ingenieurgeologie dar. Der Wortteil 'mikro‘ steht dabei für die Abgrenzung zu der regionalen Zonierung der Gefährdung, wie sie beispielsweise in Deutschland in der Erdbebenbaunorm DIN 4149 durchgeführt wurde.

Die Mikrozonierung unterteilt die lokale Gefährdung der direkten Erdbebeneinwirkung in drei Kategorien: Bebenverstärkung (z. B. aufgrund von Impedanzkontrasten von Lockergestein und Fels), wobei Verstärkungen grundsätzlich auch negativ sein können, Bodenverflüssigung (Verlust von Steifigkeit und Festigkeit einer Bodenschicht) und Geländeinstabilitäten (Hangrutsch, Felssturz, Sackungen, etc.) ein. Die drei Gefährdungsarten sind wesentliche integrale Bestandteile von Mikrozonierungskarten. Bei Mikrobeben spilet hiervon nur die mögliche Verstärkung (Abschwächung) eine Rolle.

Heutzutage werden in durch Erdbeben besonders bedrohten Ländern der Erde spezielle Mikrozonierungsstudien im Rahmen der Raum- und Stadtplanung durchgeführt. Dadurch wird ein wichtiger Beitrag zur Abmilderung der zu erwartenden Erdbebenschäden geleistet.

Gegenstand von seismischen Mikrozonierungen ist die Kartierung der veränderten Erdbebeneinwirkung aufgrund von räumlichen Unterschieden in den geologischen und topografischen Verhältnissen des Untergrunds (Bebenverstärkung/ -schwächung durch Standorteffekte). Unterschiede in den genannten lokalen Untergrundverhältnissen, insbesondere bei dem Verlauf der Scherwellengeschwindigkeiten mit der Tiefe, beeinflussen die Dauer, den Frequenzgehalt und die Stärke der Erdbebeneinwirkung (Verstärkung oder Abmilderung der Erschütterung). Standorteffekte können innerhalb kurzer Distanzen zu teilweise gravierenden Unterschieden bei den von einem Erdbeben verursachten Schäden führen.

Ziel der seismischen Mikrozonierung ist daher die räumliche Bestimmung der Verstärkung/ Abchwächung (z. B. der Bodenbeschleunigung, Schwinggeschwindigkeit) durch den lokalen Untergrund und ggf. durch die Geometrie des Felsuntergrunds (2D und 3D Effekte in Tälern und Bergrücken).

Damit kann die zuvor aus einer regionalen Gefährdungsabschätzung (Zonierung) pauschal für harten Fels bestimmte Gefährdung anhand der an konkreten Standorten ermittelten Verstärkungsfunktion den tatsächlichen lokalen Verhältnissen angepasst werden (Multiplikation von Antwortspektrum und Verstärkungsfunktion). Somit können besonders gefährdete gegenüber weniger gefährdeten Gebieten ausgewiesen werden. Dabei eingesetzten Techniken können sein:

Hierbei steht oft die Ermittlung des Verlaufs der Scherwellengeschwindigkeiten im oberflächennahen Lockergestein/ Fels mit seismischen Verfahren im Vordergrund. 

Sind in einem Betrachtungsgebiet Störungszonen vorhanden, die vom Tiefenniveau der Bebenherde bis zur Erdoberfläche durchgehen, so können diese, wenn die Bebenherde innerhalb der Strörunbgszone liegen, als Wellenleiter dienen (Kanalwellen, trapped waves), und entlang der Ausbisslinie der Ströungszone zu erhöhten Amplituden führen. Diese Zusammenhänge sind jedoch vorwiegend noch ein Forschungsgegenstand.

Bedeutung für die Geothermie

Bei der Diskussion zur Mikrozonierung geht es vorwiegend um Starkbeben. Bei der, auch bei Geothermienutzung, beobachteten induzierten Seismizität, spielt die Mikrozonierung ebenfalls eine Rolle, insbesondere bei der Diskussion, ob die Anhaltswerte der DIN 4150,3 also Schwinggeschwindigkeiten von z. B. 5 mm/s an nicht-instrumentierten Gebäuden überschritten wurden. Es kann stark angezweifelt werden, ob die für Starkbeben erarbeiteten Methoden hier anzuwenden sind. Insbesondere, da hier Raumwellen eine Rolle spielen und nicht Oberflächenwellen, wie bei Starkbeben. Bei Epizentralenfernungen die kleiner oder vergleihbar mit der Herdtiefe sind kommen die Erschütterungswellen darüberhinaus im Wesentlichen von unten. Der ganze Mechanismus der Mikrozonierung ist ein anderer. Insgesamt besteht Forschungsbedarf.

Im rechtlichen Umfeld spielt die Mikrozonierung bei der Festlegung von 'Einwirkungsbereichen' durch die Bergbehörde eine Rolle.

Weblinks

https://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Erdbeben-Gefaehrdungsanalysen/Ingenieurseismologische_Gefaehrdungsanalysen/Mikrozonierung/mikrozonierung_node.html

https://www.bgr.bund.de/MAGS/DE/Einzelprojekte/EP4/EP4_node.html