Erdbebenregistrierung mit DIAdem beim Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen

Author(s):
Dr. Rolf Pelzing - Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen

Industry:
Research

Products:
DIAdem

The Challenge:
Der Geologische Dienst Nordrhein-Westfalen betreibt in der Niederrheinischen Bucht und angrenzenden Gebieten ein Erdbebenmessnetz von zurzeit 13 Stationen. Die registrierten Daten werden per ISDN und DSL zur Zentrale nach Krefeld übertragen und dort gesichtet und ausgewertet. Aufgrund der großen Menge an Daten ist hierfür ein effizientes Software-System notwendig, das alle erforderlichen Bearbeitungsschritte ermöglicht.

The Solution:
DIAdem erfüllt die oben angeführten Anforderungen in hervorragender Weise. Die Sichtung und Auswahl der Daten erfolgt mit DIAdem-VIEW, die Signalbearbeitung geschieht mit DIAdem-ANALYSIS, die Darstellung der Ergebnisse ist mit DIAdem-REPORT problemlos innerhalb kurzer Zeit möglich. Bei allen Auswerteschritten werden Scripte eingesetzt. Spezielle seismologische Auswerteverfahren werden über DLLs eingebunden.

Einleitung

Am Morgen des 22. Juli 2002 wurden die Menschen im Rheinland durch ein Erdbeben der Stärke 4,8 auf der Richterskala aufgeschreckt. Das Epizentrum lag bei Alsdorf nordöstlich von Aachen. Für Seismologen war dieses Beben keine Überraschung, denn die Niederrheinische Bucht ist eine der bedeutendsten Erdbebenregionen in Mitteleuropa. Schon am 13. April 1992 hatte hier die Erde mit der Stärke 5,9 auf der Richterskala gebebt­ – das stärkste Erdbeben in diesem Raum seit mehr als 250 Jahren. Es gab dabei mehr als 20 Verletzte, die Sachschäden im deutsch-niederländischen Grenzgebiet betrugen rund 150 Millionen Euro. Die Schwingungsamplituden dieses Bebens waren noch zehnmal größer als die vom 22. Juli 2002.

Berichte über schadenverursachende Erdbeben sind aus den vergangenen Jahrhunderten vielfach überliefert. Schon zu Zeiten Karls des Großen sind Schäden durch Erdbeben in Aachen aufgetreten. Schätzungen der Bebenstärken aus den beschriebenen Schadensbildern ergeben Werte von bis zu 6,5 auf der Richterskala. Um die Seismizität der Niederrheinischen Bucht genauer untersuchen und besonders gefährdete Regionen identifizieren zu können, betreibt der Geologische Dienst Nordrhein-Westfalen seit 1980 in diesem Raum ein Erdbebenstationsnetz, das zurzeit aus 13 Messstationen besteht. Seit dem Beginn der Registrierung wurden an diesen Stationen mehr als 1000 natürliche Erdbeben registriert, von denen die meisten allerdings zu schwach waren, um noch von Menschen gespürt zu werden. Sie zeigen jedoch, dass insbesondere der Südwesten der Niederrheinischen Bucht seismisch aktiv ist und dass dort auch in Zukunft mit stärkeren Beben gerechnet werden muss (Bild 1).

Messanordnung

Das eigentliche Messgerät an einer Erdbebenstation ist das Seismometer. Die Schwingungen des Erdbodens erzeugen eine Relativbewegung zwischen einem an einer Feder aufgehängten Magneten und einer am Seismometergehäuse befestigten Spule. Dadurch wird in der Spule eine Spannung induziert, die proportional zur Schwinggeschwindigkeit des Bodens ist. Schwingweg und Beschleunigung des Bodens können mit DIAdem nachträglich daraus berechnet werden. An allen Erdbebenstationen sind jeweils drei Seismometer vorhanden, mit denen die Schwingungen in vertikaler Richtung und in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung registriert werden. Bei einigen Messstationen im Inneren der Niederrheinischen Bucht sind die Seismometer in bis zu 400 m tiefen Bohrlöchern installiert. Die Messsignale werden im Bohrloch zweihundertfach verstärkt und über Kabel nach Übertage übertragen. An den Stationen am Rande der Niederrheinischen Bucht auf Festgestein sind nur wenige Meter an Signalleitungen und daher keine Verstärkungen erforderlich. In beiden Fällen werden die Messsignale mit einer speziell für die Erdbebenregistrierung konstruierten Hardware bei 24 Bit Auflösung bei 200 Abtastungen pro Sekunde digitalisiert und in DIAdem-kompatiblem Format (I32) auf die Festplatte eines PCs geschrieben. An besonders ruhigen Stationen werden nur die Signale registriert, die einen vorgegebenen Triggerlevel überschreiten. Damit der Signalanfang nicht verloren geht, werden die Daten mit einer Zeitverzögerung von 20 Sekunden  aufgezeichnet. An weniger ruhigen Stationen erfolgt eine Dauerregistrierung in Blöcken von zwei Minuten, aus denen dann nachträglich die relevanten Zeitabschnitte herausgeschnitten werden.

Die registrierten Daten werden täglich per Abruf über ISDN-Verbindungen oder kontinuierlich über DSL-Verbindungen von den Messstationen zur Zentrale des Geologischen Dienstes in Krefeld übertragen und dort ausgewertet. Hierbei spielt das Software-System DIAdem eine zentrale Rolle. Schon die Sichtbarmachung der Daten mit DIAdem-VIEW als erster Auswertungsschritt ermöglicht eine unmittelbare visuelle Unterscheidung zwischen natürlichen Erdbebensignalen – sowohl aus der Niederrheinischen Bucht als auch aus anderen Gebieten der Erde – und künstlichen Signalen, beispielsweise Sprengungen, die dann ausgesondert werden. Innerhalb weniger Minuten ist aus einer seismologisch relevanten Registrierung mit DIAdem-REPORT eine weiterverwendbare Grafik geworden. Bild 2 zeigt das Seismogramm des Erdbebens von Alsdorf vom 22. Juli 2002, wie es sich dem Bearbeiter nur kurze Zeit nach der Übertragung der Daten in DIAdem darbietet.

Seismogrammbearbeitung mit DIAdem

Die für eine weitere Bearbeitung vorgesehenen Daten werden je nach Bedarf gefiltert, um entweder Störsignale zu eliminieren oder Frequenzbereiche mit seismologisch relevantem Informationsgehalt hervorzuheben. Die Korrelation von Signalen eines Bebens an verschiedenen Stationen und von Signalen verschiedener Beben an einer Station ergeben wichtige Informationen über die Lage der Hypozentren und den zeitlichen Verlauf der Seismizität. Der Ablauf eines Bruchprozesses im Erdbebenherd wird aus den Frequenzspektren verschiedener Wellengruppen ermittelt. Alle diese Auswertungsschritte werden schnell und problemlos mit DIAdem-ANALYSIS durchgeführt, so dass nicht mehr wie in früheren Zeiten für jeden Zweck verschiedene Programme verwendet werden müssen – mit den oft nicht zu umgehenden Umformatierungen der Daten. Routinemäßig angewendete Verarbeitungsschritte wie die Filterung sind als Scripte gespeichert. Weitergehende Auswertungen, wie die Bestimmung der Magnitudenwerte auf der Richterskala und die genaue Lokalisierung der Erdbebenherde aus den Aufzeichnungen verschiedener Stationen, erfolgen mit speziellen Programmen, die hauptsächlich mit Digital Fortran und Delphi entwickelt und als DLLs in DIAdem eingebunden werden können.  Ein Beispiel – die Berechnung des seismischen Momentes und daraus der Größe der Herdfläche, der Verschiebung und der Momentmagnitude – zeigt Bild 3. Die Momentmagnitude ist ein neueres Maß für die Stärke eines Erdbebens, das die Richter-Magnitude allmählich ablöst, da sie physikalisch besser fundiert ist. Zwischen beiden Skalen können geringfügige Unterschiede auftreten (hier 0,1 Einheiten).

Bisher ist es weltweit nicht gelungen, eine verlässliche Methode zur Erdbebenvorhersage zu entwickeln. Auch vor den Erdbeben vom 13. April 1992 und vom 22. Juli 2002 sind keinerlei Anzeichen wie beispielsweise Vorbeben registriert worden, die auf ein bevorstehendes stärkeres Beben hingedeutet hätten. Dennoch ist die Erdbebenregistrierung von Nutzen, denn es liegen nunmehr digitale Daten vor, die für ingenieurseismologische Zwecke verwendet werden. Bei der Auslegung von Gebäuden und technischen Anlagen – insbesondere wenn von ihnen im Fall einer Schädigung durch Erdbeben eine sekundäre Gefährdung der Bevölkerung ausgeht – werden diese Daten als Anregungssignale für Computermodelle solcher Anlagen verwendet, entweder als Zeitreihen oder in Form von Antwortspektren. Deshalb ist es bei der Registrierung und Nachbearbeitung von Erdbebendaten wichtig, dass nicht nur die Hardware, sondern auch die Software einen hohen Standard aufweist und eine zuverlässige und schnelle interaktive Bearbeitung der Daten gewährleistet. DIAdem erfüllt diese Anforderungen durch seine Vielfalt an Signalanalysemöglichkeiten und graphischen Darstellungen in ausgezeichneter Weise und wird darin zurzeit von keinem anderen Software-Paket auf dem Markt erreicht.

Zusammenfassung

Für die Auswertung der an den Erdbebenstationen des Geologischen Dienstes Nordrhein-Westfalen registrierten Daten ist das Programm DIAdem hervorragend geeignet, denn alle erforderlichen Datenverarbeitungsschritte sind mit diesem Programm möglich. Die Sichtung und Aussortierung relevanter Daten erfolgt mit DIAdem-VIEW, die anschließende Signalbearbeitung mit DIAdem-ANALYSIS, die graphische Darstellung der Ergebnisse mit DIAdem-REPORT. Spezielle seismologische Auswerteverfahren können als DLLs eingebunden werden. Durch die Verwendung von Scripten sind alle Bearbeitungsschritte schnell und unkompliziert auszuführen. Im Hinblick auf die große Menge anfallender Daten ist die Möglichkeit, alle Verarbeitungsschritte mit einem einzigen Programmsystem durchführen zu können, von unschätzbarem Vorteil.

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Dr. Rolf Pelzing
Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen
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