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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79004
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7900/


Pohl, Claudia Manuela

Erdbeben-Mikrozonierung von Lörrach und Weil am Rhein, südlicher Oberrheingraben

Earthquake-microzonation of Lörrach and Weil am Rhein, southern Upper Rhine Graben

Dokument1.pdf (56.932 KB) (md5sum: 4961560f8a11e473aa7f13b50af365fd)

Kurzfassung in Deutsch

Das im südöstlichen Oberrheingraben gelegene und dicht besiedelte Dreiländereck Deutschland-Frankreich-Schweiz zählt nördlich der Alpen zu den am stärksten von Erdbeben betroffenen Gebieten Mitteleuropas. Der Gefährdungssituation wird auf deutscher Seite mit der Karte der Erdbebenzonen Rechnung getragen. Lokal kann die Bodenbewegung aber im Falle eines Erdbebens selbst auf kurze Distanz erhebliche Änderungen erfahren. Diese sind unter anderem auf den lokalen geologischen Untergrund, den sogenannten Standorteffekt, zurückzuführen und werden mit seismischen Mikrozonierungskarten beschrieben.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine qualitative Mikrozonierungskarte für den auf deutscher Seite liegenden Großraum Lörrach erstellt, welche die relative Abschwächung bzw. Überhöhung (De- bzw. Amplifikation) der seismischen Wellen in Oberflächennähe beschreibt. Der Fokus der Arbeit liegt dabei in erster Linie auf der Methodikstudie zur Entwicklung eines Mikrozonierungsansatzes. Die Konzeption der Mikrozonierungskarte basiert im Wesentlichen auf den drei Säulen geologische Modellvorstellungen, Bodenunruhemessungen und Erdbebenregistrierungen.
Die geologische Situation wird dominiert durch die östliche Hauptrandverwerfung, in diesem speziellen Fall der Rheintalflexur des Oberrheingrabens, welche für einen komplexen tektonischen Aufbau sorgt. Neben der Aufarbeitung geologischer und geophysikalischer Daten sowie der Durchführung von Geländeaufnahmen wurden zwei bis ins Kristallin reichende Profilschnitte angefertigt, welche einen detaillierten Einblick in die Geologie des Untersuchungsgebietes geben.
Über das Arbeitsgebiet verteilt wurden 1107 Bodenunruhemessungen (auch H/V- oder "ambient vibration" genannt) durchgeführt, welche auf ihr Potenzial bezüglich einer geophysikalischen Kartierung hin untersucht wurden. An jedem Messpunkt konnten bei der Auswertung der H/V-Spektren eine charakteristische Frequenz und weitere Eigenschaften ermittelt werden. Die Karte der charakteristischen Frequenzen liefert durch ihre hohe Messpunktdichte trotz der Komplexität des Gebietes hervorragende Ergebnisse. Sie zeigt eine ausgeprägte geographische Strukturierung (N-S-Streifung) und eine gute Korrelation mit dem geologischen Untergrund.
Durch den konsequenten Abgleich der H/V-Spektren konnten Regionen mit homogenen Frequenzverteilungen von solchen mit Frequenztrends oder inhomogenen Verteilungen unterschieden werden und schließlich 24 Subgebiete in Form von H/V-Polygonen ausgewiesen werden. Eine weitere Karte stellt die Überhöhungswerte ÜI dar, die durch Integration der H/V-Spektren und anschließender Interpolation gewonnen wurde.
Es zeigt sich, dass sich die relativ kostengünstige Methode der Bodenunruhemessungen zur geophysikalischen Kartierung in einem geologisch und tektonisch komplexen Gebiet und in Gelände mit starkem Relief sehr gut eignet und als zentraler Teil des erarbeiteten Mikorzonierungsansatzes betrachtet werden kann.
Um die Ursache für die spezielle Form und Entwicklung der H/V-Spektren nachvollziehen zu können, wurden für zwei Teilgebiete Bodenunruhemodellierungen durchgeführt. Diese bestätigten unter anderem, dass die mittleren geophysikalischen Eigenschaften eines Sedimentpaketes für die Ausbildung von Amplitudenüberhöhungen besonders wichtig sind. Eine Strukturinterpretation einzelner Spektren aber bleibt hochgradig mehrdeutig und insbesondere die Gültigkeit der lambda/4-Methode selbst in "Idealgebieten" ist erheblichen Einschränkungen unterworfen.
Eine Verschneidung der Karte der H/V-Polygone und der Karte der integralen Überhöhungswerte ÜI mit den geologischen Modellvorstellungen ermöglichte letztlich die Abgrenzung von sechs Regionen, die sich im Falle eines Erdbebens jeweils homogen bezüglich ihrer Standorteffekte verhalten sollten, sich aber deutlich von den Nachbarregionen abheben.
In einem West-Ost-Profil wurden an den z. T. temporär installierten Erdbebenmessstationen in rund eineinhalb Jahren elf relevante Erdbeben registriert. Damit konnten standortbedingte Unterschiede punktuell direkt gemessen werden und durch Festlegung eines Gebietsmittelwertes jeder der zuvor ermittelten sechs Regionen qualitativ eine De- bzw. Amplifikation zugewiesen werden.
Die qualitative Erdbeben-Mikrozonierungskarte 1:25.000 von Lörrach und Weil am Rhein zeigt somit in sechs Zonen standortbedingte Unterschiede in der De- bzw. Amplifikation seismischer Wellen an der Oberfläche im Falle eines Erdbebens. Sie ist bis dato die erste ihrer Art in Deutschland. Aufgrund ihrer qualitativen, relativen und integralen Angaben ist sie als eine erste Hinweiskarte zu sehen, die die Basis für ein Folgeprojekt mit Hinblick auf eine spektrale quantitative Mikrozonierungskarte bilden könnte. In Regionen ohne Mikrozonierungskarte kann der vorgestellte Mikrozonierungsansatz dazu verwendet werden, eine Karte qualitativer Art anzufertigen.


Kurzfassung in Englisch

The densely populated border triangle Germany-France-Switzerland is situated at the south-eastern Upper Rhine Graben. This area is one prominent region of earthquake hazard in central Europe. Accordingly, on the German side an earthquake zonation map is used. However, in case of an earthquake the local ground motion might show significant variations even at short distances, due to several factors including the local geology and tectonics, the so called site effects. Earthquake microzonation maps were developed to describe such site effects.
A qualitative earthquake microzonation map of greater Lörrach, an urban area in Germany, was developed during this study, to describe relative attenuation (deamplification) and amplification of near-surface seismic waves in the investigation area. This study focused on developing a microzonation approach. The approach presented in this study is based primarily on the three columns; geological information, ambient vibration measurements and earthquake recordings.
The geological and tectonic situation in the area of interest is dominated by the eastern master fault of the Upper Rhine Graben (URG), in this region the so called "Rheintalflexur". This flexure zone is the reason for the complex tectonic setup of the area. During this study the available geological and geophysical data were processed and field surveys were accomplished. Furthermore two, geological cross-sections down to the basement were developed, giving a detailed view of the geological and tectonic structure of the area of interest.
Over 1100 ambient vibration measurements were collected during this study and the potential of the method as a tool for geophysical mapping was investigated. For each observation point a predominant frequency and other properties were obtained. By use of a tight network of measuring locations, the map of predominant frequencies shows excellent results in spite of the geological heterogeneity of the investigation area. Spatially, the map shows a distinct N-S-structure which is in very high correlation with the local geology.
By alignment of the H/V-spectra, regions with homogenous frequency distribution and frequency response characteristic or inhomogeneous distribution could be distinguished. Finally, 24 subareas were defined and presented as H/V-polygons. A further map illustrates the amplification values ÜI, obtained through integration of the H/V-spectra and subsequent interpolation.
It turns out that the ambient noise measurement is a quick and economical method which is outstandingly suitable for geophysical mapping in geologically heterogeneous and tectonically stressed areas and furthermore in areas with distinct relief. It therefore represents a central part of the developed microzonation approach.
To comprehend the reason for individual shape and development of the H/V-spectra, ambient noise measurements were modelled for two subareas. Among other things, they confirmed the importance of the mean geophysical characteristics of a sediment layer with regard to the amplification effects. A structural interpretation of individual spectra was however, very ambiguous. The lambda/4-method even in ideal areas was significantly limited.
The H/V-polygons and the map of the amplification values ÜI as well as the geological model were merged, to finally define six regions. Each region could be expected to show homogeneous site effects in case of an earthquake and to be different from its neighbors.
To directly elucidate the general site characteristics above different geological units, six seismographs in addition to three permanent strong-motion stations were set up along an east-west profile. In slightly more than one year, eleven relevant earthquakes were recorded at most of the stations. The evaluation of these data gives a clear impression of the site amplification/deamplification in the area of interest. A conspicuous feature is strong amplification within the flexure zone in contrast to a deamplification in the close-by valley, only 500 m away. As a next step an area mean was determined and thereupon each region was assigned a level of site amplification/deamplification (always related to the area mean) in a qualitative way.
The qualitative Earthquake Microzonation Map 1:25.000 Lörrach and Weil am Rhein therefore shows six zones of different site effect characteristics in terms of deamplification and amplification of near-surface seismic waves in case of an earthquake. At present, this is the first map of its kind in Germany. Due to the qualitative, relative and integral kind of information, this map is a first indicator map, representing a possible basis for a follow-up project in view of a spectral quantitative microzonation map. The introduced microzonation approach could be applied to develop a qualitative map in regions without microzonation map.


SWD-Schlagwörter: Bodenunruhe , Erdbeben , Oberrheingraben <Süd>
Freie Schlagwörter (deutsch): Seismische Mikrozonierung , Standorteffekt , H/V-Methode , H/V-Spektrum , Rheintalflexur
Freie Schlagwörter (englisch): seismic microzonation , site effect , ambient vibration , H/V spectral ratio
Institut: Geologisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Behrmann, Jan H. (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.04.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 13.01.2011
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