Sagen Erdbebengefahrenkarten stärkere Erschütterungen voraus, als sie tatsächlich aufgetreten sind? Forschung findet Diskrepanz

Eine neue Studie von Forschern und Mitarbeitern der Northwestern University erklärt ein rätselhaftes Problem bei Karten künftiger Erdbebenerschütterungen, die zur Konstruktion erdbebensicherer Gebäude verwendet werden. Der Forschung wurde veröffentlicht 1. Mai im Journal Wissenschaftliche Fortschritte in einem Artikel mit dem Titel „Warum scheinen seismische Gefahrenkarten weltweit historische Intensitätsbeobachtungen zu überschätzen?“

Obwohl Seismologen diese Karten seit etwa 50 Jahren erstellen, wissen sie nur sehr wenig darüber, wie gut sie tatsächlich Erschütterungen vorhersagen, da schwere Erdbeben in keinem Gebiet häufig vorkommen.

Um mehr zu erfahren, hat das Northwestern-Forschungsteam Erschütterungsdaten vergangener Erdbeben zusammengestellt. Dazu gehört CHIMP (California Historical Intensity Mapping Project), das Daten von Seismometern mit historischen Daten (als seismische Intensität bezeichnet) kombiniert und die durch Erdbeben verursachten Bodenerschütterungen anhand der Auswirkungen auf künstliche Strukturen und Objekte im Erdbebengebiet misst. Informationen zur Intensität können aus Fotos von Schäden, Berichten aus erster Hand oder Zeitungen sowie mündlichen Überlieferungen gewonnen werden.

„Wir haben ein rätselhaftes Problem gefunden“, sagte die Geophysikerin Leah Salditch, Hauptautorin der Studie und kürzlich promovierte Nordwestwissenschaftlerin. Absolvent. „Die Gefahrenkarten für Kalifornien sowie Japan, Italien, Nepal und Frankreich schienen alle die in der Vergangenheit beobachteten Erdbebenintensitäten zu stark vorherzusagen. Die Gefahrenkarten wurden von Gruppen in verschiedenen Ländern erstellt, aber alle sagten stärkere Erschütterungen voraus als beobachtet.“

Bei der Analyse der möglichen Ursachen stellte das Forschungsteam fest, dass das Problem eher an den Umrechnungsgleichungen lag, die beim Vergleich von Gefahrenkarten zur Vorhersage zukünftiger Erdbeben mit tatsächlichen Erschütterungsdaten verwendet wurden, als an systemischen Problemen mit der Gefahrenmodellierung selbst.

Salditch, der in der Forschungsgruppe von Co-Autor Seth Stein, emeritierter William Deering-Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Northwestern University, war, ist jetzt geowissenschaftlicher Gefahrenberater bei Guy Carpenter & Company. Weitere Autoren aus dem Nordwesten sind Molly Gallahue und James Neely, ebenfalls frischgebackene Doktoranden. Absolventen von Steins Gruppe.

Seismologen sagen oft: „Erdbeben töten keine Menschen, sondern Gebäude töten Menschen“ – die meisten Todesfälle bei einem Erdbeben werden durch einstürzende Gebäude verursacht. Daher besteht die beste Möglichkeit für die Gesellschaft, die Zahl der Todesopfer bei künftigen Erdbeben zu verringern, darin, Gebäude zu bauen, die diesen Erdbeben standhalten. Da erdbebensicheres Bauen jedoch teuer ist, müssen die Gemeinden die Kosten mit anderen gesellschaftlichen Bedürfnissen in Einklang bringen. Sie können beispielsweise beschließen, mehr Stahl in Schulgebäuden zu verbauen oder mehr Lehrer einzustellen.

Um diese schwierigen Entscheidungen zu treffen und angemessen zu planen, verwenden politische Entscheidungsträger und Ingenieure Erdbebengefahrenkarten, die vorhersagen, mit welcher Wahrscheinlichkeit über die vielen Jahre hinweg, in denen Gebäude und andere Bauwerke genutzt werden, mit bestimmten Erschütterungen zu rechnen ist. Diese Karten basieren auf Annahmen darüber, wo und wie oft Erdbeben in der Region auftreten können, wie groß sie sein werden und wie viel Erschütterungen sie verursachen werden.

Bei der Untersuchung der Frage, warum Gefahrenkarten aus fünf verschiedenen Ländern alle stärkere Erschütterungen vorhersagten als beobachtet, kam das Forschungsteam zu dem Schluss, dass es ein Problem mit den Karten, den Daten oder beidem geben musste.

„Wir haben eine Reihe möglicher Probleme mit den Karten untersucht, darunter auch das Ausmaß, in dem Bodenerschütterungen von der lokalen Geologie abhängen, aber keines davon war groß genug, um das Problem zu erklären“, sagte Gallahue.

Wenn das Problem nicht in den Karten lag, lag es dann in den historischen Daten?

„Wahrscheinlich nicht“, sagte Co-Autorin Susan Hough vom US Geological Survey. „Die Erschütterungsdaten in den verschiedenen Ländern wurden mit unterschiedlichen Techniken zusammengestellt, waren aber alle geringer als auf den Karten vorhergesagt. Wenn überhaupt, ist zu erwarten, dass die historischen Intensitäten überhöht sind, da historische Quellen dazu neigen, die dramatischsten Auswirkungen von Erschütterungen hervorzuheben.“

Wenn es keine Probleme mit den Gefahrenkarten und Erschütterungsdaten gab, warum stimmten sie dann nicht zu?

„Es gibt ein subtiles Problem“, sagte Co-Autor Norman Abrahamson von der University of California in Berkeley. „Gefahrenkarten werden in physikalischen Einheiten angegeben, während Intensitäten in einem anderen Maßstab gemessen werden, sodass das eine in das andere umgerechnet werden muss. Es stellt sich heraus, dass die Umrechnungsgleichungen bei sehr starken Erschütterungen nicht so gut funktionieren, sodass die Umrechnung der Kartenwerte zu überbestimmt ist.“ die Intensitätsdaten.

„Das Problem sind nicht die Karten, sondern die Konvertierung“, sagte er. „Eine Änderung der Konvertierung behebt die meisten Unstimmigkeiten zwischen den Karten und den Daten. Darüber hinaus sollte eine bessere Beschreibung der Bodenerschütterungen die Sache noch stärker machen.“

„Das ist ein wichtiges und zufriedenstellendes Ergebnis“, sagte Co-Autorin Neely, jetzt an der University of Chicago. „Karten und Daten, die nicht übereinzustimmen schienen, waren beide richtig. Das Problem bestand darin, die beiden zu vergleichen.“

„Wir haben dieses Projekt vor zehn Jahren gestartet und dachten, dass es ernsthafte Probleme mit den Gefahrenkarten geben könnte“, sagte Stein. „Jetzt sieht es so aus, als gäbe es bei ihnen kein grundsätzliches Problem.

„Die Karten für einige Gebiete sind aus verschiedenen Gründen möglicherweise nicht so gut“, sagte er.

„Zum Beispiel wissen wir an einigen Orten aufgrund der relativ kurzen Zeitspanne nicht genug über die Erdbebengeschichte oder die Erschütterungen, die große Erdbeben hervorrufen. An anderen Orten können sich die Häufigkeit und die Größe von Erdbeben ändern oder sie sind nur unzureichend verstanden.“ Daher kann es sein, dass Karten an manchen Orten künftige Erschütterungen zu stark vorhersagen, an anderen hingegen zu niedrig.

„Die Natur wird uns manchmal überraschen. Da die grundlegende Methode zur Gefahrenkartierung jedoch solide aussieht, können wir davon ausgehen, dass diese Karten ziemlich gut sind und besser werden, je mehr wir lernen.“