The first paleoseismic database of germany and adjacent regions PalSeisDB v1.0

Hürtgen, Jochen; Reicherter, Klaus; Spies, Thomas

doi:HT019645104

The first paleoseismic database of germany and adjacent regions PalSeisDB v1.0 = Die erste paläoseismische Datenbank von Deutschland und angrenzenden Regionen PalSeisDB v1.0

Hürtgen, Jochen^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Jochen Hürtgen

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XVIII, 137, [321] Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Reicherter, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Spies, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223292
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/721971/files/721971.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
paleoseismology (frei) ; Germany (frei) ; Central Europe (frei) ; database (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die "Vorhersage", oder zumindest das Wissen über mögliche Wiederholraten, von hochenergetischen Naturereignissen, die kritische Schäden an unserer Infrastruktur hervorrufen, ist absolut essentiell. Aus geologischer Perspektive haben seismische Ereignisse ein sehr starkes Potential, ein Naturereignis mit Freisetzung hoher Energien zu sein. Sowohl die primären als auch die sekundären Effekte von seismischen Ereignissen können Versagenserscheinungen der Erdoberfläche und daraus resultierende substantielle Infrastrukturschäden hervorrufen. Die beste Grundlage zur Determinierung seismischer Auftrittswahrscheinlichkeiten ist ein möglichst umfangreicher Katalog von Erdbebenereignissen, die in einem räumlichen und zeitlichen Fenster von Interesse stattgefunden haben. Bestehende Erdbebenkataloge instrumenteller und historischer Seismizität sind beschränkt auf etwas mehr als eintausend Jahre. Dies gibt allerdings nicht die langen seismischen Zyklen der dicht besiedelten Region Mitteleuropas, die das Interessensgebiet dieser Dissertation darstellt, wieder. Hier werden Zeiträume seismischer Zyklen in Größenordnungen von bis zu mehreren zehntausenden Jahren erwartet. Deshalb dokumentiert diese Dissertation die Zielsetzung, Entwicklung, Erstellung und den derzeitigen Stand eines erweiterten Erdbebenkatalogs. Als im intrakontinentalen Bereich liegende Region, die durch niedrige bis moderate Seismizität sowohl in historischer als auch in jüngster Zeit charakterisiert ist, wird für Mitteleuropa erwartet, dass Erdbeben auch in der geologischen Vergangenheit an tektonisch aktiven Strukturen aufgetreten sind. Die erste "Paläoseismische Datenbank von Deutschland und angrenzenden Regionen" (PalSeisDB v1.0, 2017, Gebiet innerhalb eines Radius von 300 km rund um die deutsche Grenze) umfasst durch individuelle Paläoerdbeben entstandene geologische Evidenzen, deren Lokation, Zeitlichkeit und Größe. Vor der Entwicklung von PalSeisDB v1.0 gab es keine umfassende Zusammenstellung paläoseismischer Evidenzen in Mitteleuropa. Paläoseismische Evidenzerscheinungen, wie Schürfe, erdbebeninduzierte Lockersedimentdeformationen, Massenbewegungen und andere Erscheinungen, sind aus veröffentlichten und teils unveröffentlichten Studien in Mitteleuropa gesammelt und systematisch parametrisiert worden. Sofern möglich wurden auch Informationen über die Störungen als seismogene Quelle und den zugehörigen Erdbeben extrahiert und in PalSeisDB v1.0 dokumentiert. Die Informationen sind in umfangreichen, parametrisierten Tabellen einer Microsoft Access Datenbank und in ESRI ArcGIS Shapefiles gespeichert. Das Konzept von PalSeisDB v1.0, insbesondere die relevanten geologischen und seismologischen Parameter sowie die Struktur, liegt im Detail vor. Die technischen Aspekte von PalSeisDB v1.0 und der GIS-basierten Umgebung sind ebenso beschrieben und ermöglichen dem Leser und Nutzer den Umgang mit der Datenbank und den ergänzenden Inhalten. Ein umfassender Anhang in dieser Dissertation liefert eine gedruckte Version der Datenblätter, die alle gespeicherten paläoseismischen Daten aus der Microsoft Access Datenbank einschließen, sowie eine Liste aller in der Datenbank genutzten Parameter und eine Liste aller Referenzen, die zum Zusammentragen der Informationen zu paläoseismischen Evidenzen genutzt wurden. Die Zusammenstellung von PalSeisDB v1.0 zeigt, dass paläoseismische Evidenzen an 129 verschiedenen Lokationen, die ungleichmäßig über das Gebiet von Deutschland und den angrenzenden Regionen verteilt sind, dokumentiert werden können. Von diesen sind 17 Lokationen von Untersuchungen in Deutschland. Insgesamt wurden 105 Paläoerdbeben ermittelt, die meisten davon aus paläoseismischen Schurfuntersuchungen, aber auch aus Untersuchungen anderer paläoseismischer Evidenzen wie Lockersedimentdeformationen, Massenbewegungen und weitere (z.B. tsunamigene Ablagerungen oder gebrochene Speleotheme). Evidenzen für die meisten Paläoerdbeben (94 Ereignisse) sind in einem Zeitraum zwischen 25.000 Jahren BP und historischer Zeit datiert. Die ältesten Erdbeben datieren sogar zurück bis in einen Zeitraum zwischen dem Eem-Interglazial und dem mittleren Pleistozän. 71 Erdbeben haben Magnitudenwerte von größer als Mw 5,5 und 43 Erdbeben größer als Mw 6,5. Die Magnituden sind in den meisten Fällen auf Grundlage von Verhältnissen zwischen Magnitude und Rupturlänge oder Oberflächendeformation bestimmt worden. In keiner der in PalSeisDB v1.0 implementierten paläoseismischen Studien konnte die Bestimmung der epizentralen Lokation eines Paläoerdbebens erfolgen, da keine genügend hohe Anzahl zeitgleicher paläoseismischer Evidenzen dokumentiert oder gefunden wurden, oder erst gar nicht entstanden sind. Paläoseismische Daten von 62 Schurfuntersuchungen wurden dokumentiert und in PalSeisDB v1.0 implementiert. Diese geben die zuverlässigsten Informationen zur Festlegung seismischer Rupturen an einer Störung und dem Auftreten von paläoseismischen Ereignissen. Die Gebiete mit den meisten Schurfuntersuchungen finden sich in den Grabensystemen des Nieder- und Oberrheins. Zusätzlich wurden Evidenzen von 116 seismisch-induzierter Lockersedimentdeformationen und 61 Massenbewegungen sowie 21 anderer paläoseismischer Evidenzen dokumentiert. Nicht jeder paläoseismischen Evidenz konnte eine seismogene Quelle zugeordnet werden. Dennoch konnten insgesamt 36 Störungszonen, die mit paläoseismischen Evidenzen verbunden sind, in PalSeisDB v1.0 parametrisiert werden, wenn auch nicht in allen Fällen vollständig. Die gefundenen paläoseismischen Evidenzen sind wenig zahlreich und räumlich verteilt in Mitteleuropa zu finden. Bisher ist die Anzahl paläoseismischer Studien, die eine Charakterisierung potentieller aktiver Störungen als seismogener Quelle signifikanter prähistorischer Erdbebenereignisse vornehmen, nicht ausreichend. Dies wird durch die nur wenig vollständige Parametrisierung von Störungen und in Teilen vorhandene Unwissen über deren Existenz widergespiegelt. Die Zahl der existierenden Untersuchungen, die paläoseismische Evidenzen in Mitteleuropa meist auf nationaler Basis erarbeitet haben, nimmt zu. Diese Ergebnisse sind in der vorliegenden Datenbank genutzt, um Informationen zu Paläoerdbeben in einer systematischen Weise zu sammeln. Es ist jedoch zwingend notwendig zukünftige paläoseismische Untersuchungen in Deutschland und den angrenzenden Regionen durchzuführen, um die kritischen Langzeitmuster der Stärke von Erdbeben, deren Wiederholraten und deren Lokation zu verstehen, die aus den kürzeren historischen und instrumentellen Katalogen nicht erkannt werden können. Nichtsdestotrotz stellt PalSeisDB v1.0 einen aktuellen Stand paläoseismischer Forschungsarbeiten in Mitteleuropa dar. Die Datenbank kann und soll zur Durchführung von seismischen Gefährdungsanalysen (SHA, seismic hazard assessment) in Kombination mit lokalen und regionalen Erdbebenkatalogen dieser Region genutzt werden.

The "prediction", or at least the knowledge of possible recurrence rates, of natural high energy events causing critical damage to our infrastructure is absolutely essential. From a geological perspective, seismic events have a very strong potential to be a natural event with high energy release. Both primary and secondary effects of seismic events can cause surface failures comprising substantial infrastructural damage. The strongest foundation to determine the probability of seismic occurrences is a preferably extensive catalog of earthquakes, which have occurred in a spatial and temporal window of interest. Existing earthquake catalogs of instrumental and historical seismicity are restricted to just a little more than one thousand years. But this does not reflect the long seismic cycles in the densely populated area of Central Europe, which is the area of interest of this thesis. Here the seismic cycles are expected to be in the order of tens of thousands of years. Hence, this thesis documents the objectives, development, compilation and current state of an extended earthquake catalog. As Central Europe is an intraplate domain, which is characterized by low to moderate seismicity, with records of larger seismic events occurring in historical and recent times, it is expected that earthquakes also occurred in the geologic past at tectonically active structures. The first "Paleoseismic Database of Germany and Adjacent Regions" (PalSeisDB v1.0, 2017, study area within a radius of 300 km from the German border) comprises records of geologic evidence created during individual paleoearthquakes, especially their location, timing, and size. Before the development of PalSeisDB v1.0, no comprehensive compilation of paleoseismic evidence existed in Central Europe. Paleoseismic evidence features, such as trenches, soft-sediment deformation, mass movements and others, from published and partly from unpublished studies in Central Europe has been collected and systematically parameterized. As possible the information about the faults, as seismogenic source, and the related earthquakes generated by them are also extracted and in PalSeisDB v1.0 documented. The information is saved in extended parameterized tables of a Microsoft Access Database and ESRI ArcGIS shapefiles. The concept of PalSeisDB v1.0 in detail, especially the relevant geological and seismological parameters and the structure of the database is presented. The technical aspects of PalSeisDB and the GIS-based environment (geographical information system) are described to enable the reader to properly use the database and its supplemental features. A comprehensive appendix in this thesis provides a printed version of the data sheets from the Microsoft Access Database including all stored paleoseismic data, a detailed list of all parameters used in the database, and the list of references from which the information about paleoseismic evidence was extracted. The compilation of PalSeisDB v1.0 shows that paleoseismic evidence has been documented at 129 different locations which are unequally distributed in the area of Germany and adjacent regions. Of these, 17 locations are from investigations in Germany. In total, 105 paleoearthquakes have been determined, mostly from paleoseismic trench studies, but also from other paleoseismic studies regarding soft-sediment deformation and mass movement features, as well as other paleoseismic evidence features (e.g. tsunamigenic deposits, broken speleothems, etc.). Evidence for most of the paleoearthquakes (94 events) have been dated within a time period between 25,000 years BP and historical times. The oldest earthquakes even date back to a time period between Eemian and Mid-Pleistocene times. 71 earthquakes have values of magnitudes higher than Mw 5.5 and 43 earthquakes higher than Mw 6.5. The magnitudes have been mostly determined by relationships between magnitudes and rupture length or surface displacement. In none of the implemented paleoseismic studies documented in PalSeisDB v1.0, the determination of the paleoearthquakes' epicenter is possible due to the lack of a sufficient amount of coevally documented, found, or even occurred, paleoseismic records.Paleoseismic data from 62 trenching studies has been documented and implemented in PalSeisDB v1.0. These give the most reliable information on the determination of seismic rupturing on a fault and on the occurrence of paleoseismic events. The areas with the most paleoseismic trench studies are the Lower and Upper Rhine Graben systems. Furthermore, 116 seismically induced soft-sediment deformation features, 61 mass movement features, and 21 other paleoseismic evidence features have been documented. A seismogenic source could not be determined for each paleoseismic evidence feature. But in total, 36 fault zones are related to paleoseismic evidence and have been parameterized, however partly, in PalSeisDB v1.0.The records of paleoseismic features are sparse and spatially distributed throughout Central Europe. Up to now the number of paleoseismic studies characterizing potential active faults as seismogenic sources of significant pre-historic earthquake events is not sufficient. This is reflected in the missing parameterization of faults and it is a major lack of knowledge. The number of existing studies that have acquired paleoseismic evidence in Central Europe, mainly on a national basis, increases. Their results were used in the present database to collect information on paleoearthquakes in a systematic manner. But it should be mandatory to enforce future paleoseismic studies in Germany and adjacent regions to understand the critical long-term patterns in earthquake magnitude, recurrence, and location that are not apparent in the shorter historical and instrumental records. Nevertheless, PalSeisDB v1.0 presents a current state of paleoseismic research in Central Europe. It can and is intended to be used for seismic hazard assessment (SHA) in combination with local or regional earthquake catalogs in this region.

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