Technischer Bericht NTB 00-05

Der vorliegende Bericht entspricht der Zwischenbilanz einer Arbeit, die der Schweizerische Erdbebendienst (SED) seit fast 20 Jahren im Auftrag der Nagra ausführt und die sich mit der detaillierten Überwachung und Analyse der Erdbebenaktivität in der Nord- und Zentralschweiz befasst. Ziel dieser Untersuchungen ist es, Aufschluss über die Lage aktiver Schwächezonen und über den regionalen Spannungszustand in der Erdkruste zu erhalten, sowie diese in Beziehung zu den an der Erdoberfläche sichtbaren geologischen Erscheinungen zu setzen. Anfänglich konzentrierten sich diese Untersuchungen auf die Nordschweiz. Anschliessend wurden die seismotektonischen Untersuchungen auch auf die Zentralschweiz ausgedehnt. Zum Thema der Seismotektonik der Nordschweiz entspricht der vorliegende Bericht einer Fortsetzung früherer Veröffentlichungen (Mayer-Rosa et al. 1983 und 1984, Deichmann & Renggli 1984, Pavoni 1984, Deichmann 1987b und 1990). Es werden die Herdmechanismen der in den letzten 10 Jahren registrierten Erdbeben und Erdbebenserien vorgestellt und anschliessend ein auf der Gesamtheit der bis Ende 1999 vorhandenen seismologischen Daten basierendes Bild der gegenwärtigen Deformation und Spannung in der Erdkruste der Nordschweiz abgeleitet. Bezüglich der Seismotektonik der Zentralschweiz hingegen stellt dieser Bericht die erste allgemein zugängliche Veröffentlichung dar.

Nordschweiz

Die Erdbebenaktivität der Nordschweiz konzentriert sich einerseits auf die Region Basel mit dem südlichen Teil des Oberrheingrabens und des Dinkelbergs bis südlich des Hauensteins, sowie andererseits auf einen breiten Streifen, der sich vom Überlingersee über Thurgau, Untertoggenburg, Zürcher Oberland und Zürichsee bis in die Zentralschweiz zieht. Der zentrale Teil der Nordschweiz, der den nördlichen Teil des Kantons Zürich und Luzern sowie den ganzen Kanton Aargau umfasst, hat sich seismisch vergleichsweise wenig bemerkbar gemacht. In Epizenterkarten der seit 1983 registrierten Erdbeben fallen vor allem die zahlreichen punktuellen Häufungen von Epizentren auf, die meist zeitlich beschränkten Erdbebenserien entsprechen. Die Herdtiefen erstrecken sich über den gesamten Krustenbereich von den oberflächennahen Sedimentschichten bis zur Kruste-Mantel-Grenze.

Das stärkste Erdbeben in den letzten 10 Jahren in der Nordschweiz erreichte die Magnitude 4.0 und ereignete sich 1996 in einer Tiefe von 30 km bei Kirchberg im Untertoggenburg. Von besonderem Interesse ist das 1999 aufgetretene Beben bei Eglisau (Magnitude 3.1). Wegen seiner geringen Herdtiefe (1 – 2 km) lässt sich sein Herdmechanismus in unmittelbare Beziehung zu den vorhandenen oberflächennahen Spannungsmessungen setzen.

Von den fast 60 in der Nordschweiz bekannten Herdmechanismen handelt es sich bei rund 2/3 um Blattverschiebungen. Die Restlichen sind entweder Abschiebungen oder lassen sich keinem eindeutigen Verwerfungstyp zuordnen. Die Zusammenstellung der Streichrichtungen aller möglichen Herdflächen zeigt, dass die bevorzugten Brüche entweder NW-SE oder NNE-SSW streichen und dass die ENE-WSW gerichteten Brüche, insbesondere die Randbrüche des Nordschweizer Permokarbontroges, überhaupt nicht aktiviert werden. Insgesamt gesehen, zeichnet sich die aus den Herdmechanismen ableitbare Deformation sowie das Spannungsfeld in der Erdkruste der Nordschweiz durch flach liegende und ENE-WSW ausgerichtete Achsen der maximalen Extension bzw. der minimalen Kompressionsspannung aus. Aus der Analyse der Deformationsrichtungen und aus dem Resultat der Spannungsinversion ergibt sich die Tendenz einer leichten fortschreitenden Drehung der Richtung maximaler horizontaler Kompression von NNW-SSE in der Nordostschweiz auf NW-SE in der Westschweiz. Unter besonderer Berücksichtigung der Herdmechanismen der Beben von Ramsen/Diessenhofen, Singen, Frauenfeld und Eglisau liegt die Orientierung der grössten horizontalen Kompressions-spannung in der Nordostschweiz näher bei einer N-S Richtung als bei der für Mitteleuropa typischen NW-SE Richtung.

Zentralschweiz

Seit dem 14. Jahrhundert sind in der Zentralschweiz rund 10 Beben mit einer Intensität von mindestens Io = VII bekannt. Die Hälfte davon sind allein in den Jahren 1774 – 1777 in der Gegend von Altdorf und Sarnen aufgetreten. Die Gegend von Sarnen wurde auch 1917 und 1964 von zwei weiteren Erdbebenserien erschüttert, die sich jeweils über mehrere Monate erstreckten und erhebliche Schäden verursacht haben. Die beiden stärksten Erdbeben der letzten 25 Jahre in der Zentralschweiz ereigneten sich im Schächental (1994.08.28, M 3.9) und bei Iberg (1995.11.16, M 4.0). Dies sind die einzigen Ereignisse, welche eine Stärke erreichten, die vergleichbar ist mit derjenigen der über 40 Ereignisse in den 33 Jahren davor. Somit war die seismische Aktivität in der Zentralschweiz seit der Aufnahme moderner instrumenteller Beobachtungen ausserordentlich gering. Ausserdem deuten die makroseismisch bestimmten Epizentren auf eine Konzentration der Aktivität in der Gegend von Altdorf und Sarnen hin, während die Verteilung der in den letzten Jahren beobachteten Mikrobeben gleichmässiger erscheint. Die instrumentelle Beobachtungsperiode ist somit zu kurz, um sich aus den entsprechenden Resultaten ein repräsentatives Bild der Seismizität der Zentralschweiz machen zu können. Aufgrund der in der Vergangenheit wiederholten zeitlichen und räumlichen Konzentration der Erdbeben erscheint es wahrscheinlich, dass auch in Zukunft wieder mit einer zumindest zeitweise erhöhten Aktivität insbesondere im Gebiet von Sarnen zu rechnen ist.

Wegen der geringen Anzahl der in der Zentralschweiz zur Verfügung stehenden Herdflächenlösungen ist eine Spannungsinversion, wie sie für die Nordschweiz durchgeführt wurde, nicht sinnvoll. Gegenüber der allgemeinen Ausrichtung der P- und T-Achsen in der Nordschweiz weisen die Mechanismen im Helvetikum der Zentralschweiz eine leichte Drehung im Gegenuhrzeigersinn auf. Diese Drehung ist besonders ausgeprägt für den Aufschiebungsmechanismus des Bebens von Kerns mit einer WNW-ESE Ausrichtung der maximalen Kompression. Bei diesem Vergleich ist aber zu berücksichtigen, dass – mit möglicher Ausnahme des Bebens von Eglisau – alle Beben in der Nordschweiz, für die der Herdmechanismus bestimmt werden konnte, im kristallinen Grundgebirge stattgefunden haben. Hingegen haben sich in der Zentralschweiz mit Sicherheit mindestens vier (Kerns, Sachseln, Schächental und Oberrickenbach) sowie wahrscheinlich auch die anderen der untersuchten Beben in der Sedimentbedeckung abgespielt. Im Gegensatz zur Nordschweiz beschränkt sich insgesamt gesehen die seismische Aktivität in der Zentralschweiz wie auch im ganzen Bereich der Schweizer Alpen auf die oberen 15 – 20 km der Erdkruste.

Von besonderem Interesse sind die beiden kleinen Beben (M 1.1 und M 2.5), die sich am 7. Dezember 1996 rund 2.5 km N von Oberrickenbach ereignet haben, da sie Aufschluss über die Seismotektonik in unmittelbarer Nähe des Standortgebietes Wellenberg geben: Der Herd befindet sich in einer Tiefe von wenigen Kilometern in den das Grundgebirge überlagernden Sedimenten, und der Bruchvorgang entspricht einer sinistralen Blattverschiebung mit leichter Aufschiebungskomponente auf einer fast senkrechten und N-S streichenden Verwerfung. Bemerkenswert ist ausserdem die Koexistenz von Auf- und Abschiebungsmechanismen (Kerns und Sachseln) innerhalb einer Entfernung von nur 5 km voneinander und in vergleichbarer Tiefe (1 – 2 km). Diese Koexistenz von sich eigentlich gegenseitig ausschliessenden Mechanismen ist entweder Anzeichen für ein räumlich sehr heterogenes Spannungsfeld oder für einen betragsmässig geringen Unterschied zwischen grösster und kleinster Hauptspannung.