Name Klasse Datum

EARTH EXPLAINED · UNTERRICHTSMATERIAL

Das Erdbeben der World Series

Loma Prieta, 1989: Warum die schlimmsten Schäden 60 Meilen von der Verwerfung entfernt entstanden

Video 9:00Stufe Klassenstufen 6–12 · Einführung in die Geologie auf HochschulniveauStandards MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1, HS-ETS1-3
Sprache Deutsch

English · Español · Português · Français · Deutsch · Italiano · Русский · Türkçe · Bahasa Indonesia · Tiếng Việt · 中文 · 日本語 · 한국어 · हिन्दी · বাংলা · اردو · العربية

Abspielen überfür Schulnetze, die YouTube sperren

Warum richtete ein Erdbeben, dessen Zentrum in den Bergen bei Santa Cruz lag, seine tödlichsten Schäden etwa 60 Meilen entfernt an, in San Francisco und Oakland?

Um 5:04 Uhr nachmittags am 17. Oktober 1989, wenige Minuten vor Spiel 3 der World Series, brach ein Erdbeben der Magnitude 6,9 einen im Untergrund verborgenen Abschnitt des San-Andreas-Verwerfungssystems unter den Santa Cruz Mountains auf. Diese Unterrichtseinheit erklärt daran, wie eine Plattengrenze, an der Platten aneinander vorbeigleiten, Spannung speichert und plötzlich freisetzt (die Theorie des elastischen Rückpralls, die aus dem Erdbeben von 1906 hervorging), wie eine Prognose von 1988 genau den Abschnitt hervorhob, der dann brach, und warum die schlimmsten Schäden weit von der Verwerfung entfernt entstanden, wo weicher Schlamm und künstliche Aufschüttungen die Erschütterungen verstärkten und lockeren Boden fast in eine Flüssigkeit verwandelten. Sie endet mit dem, was die Region danach veränderte, von der Ertüchtigung der Schnellstraßen bis zu Erdbebenwarnungen auf dem Handy, und mit der Schätzung des USGS: eine Wahrscheinlichkeit von 72 % für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,7 oder stärker in der Region der Bucht von San Francisco zwischen 2014 und 2043.

Untertitel (.vtt)Untertitel (.srt)
Untertitel in 16 weiteren Sprachen

Lernziele Nach dieser Stunde können die Schülerinnen und Schüler:

  1. Das San-Andreas-Verwerfungssystem als Grenze beschreiben, an der die Pazifische Platte nach Nordwesten an der Nordamerikanischen Platte entlanggleitet, und die wichtigsten Verwerfungen der Bay Area benennen.
  2. Die Theorie des elastischen Rückpralls erklären und dabei die nach dem Erdbeben von 1906 gemessenen Bodenversätze als Belege nutzen.
  3. Eine Erdbebenprognose (eine Wahrscheinlichkeit für einen Zeitraum) von einer Vorhersage (ein Datum, ein Ort und eine Größe) unterscheiden und die Prognosen von 1988 und 2014 für die Bay Area richtig deuten.
  4. Erklären, wie weicher Boden und künstliche Aufschüttungen seismische Wellen verstärken und wie Bodenverflüssigung Gebäude beschädigt, und mit diesen Ideen erklären, warum sich die Schäden im Marina District und entlang des Buchtufers konzentrierten.
  5. Das Versagen des Cypress Street Viaduct und der Bay Bridge beschreiben und die anschließenden technischen Antworten bewerten: die Ertüchtigung älterer Bauwerke und den Ersatz des östlichen Abschnitts der Bay Bridge.
  6. Erklären, wie Erdbebenfrühwarnung funktioniert, warum sie manchen Orten Dutzende Sekunden Vorwarnzeit geben kann und warum Orte, die der Verwerfung am nächsten liegen, womöglich gar keine erhalten.
  7. Die heutige Gefahr durch die Hayward-Verwerfung bewerten und erklären, warum es in einer Region mit einer Wahrscheinlichkeit von 72 % für ein großes Erdbeben in 30 Jahren sinnvoll ist, „Drop, Cover and Hold On“ (auf den Boden, in Deckung, festhalten) zu üben.

Vor dem Ansehen

Wichtige Begriffe ★ Vertiefungsbegriffe für ältere Schülerinnen und Schüler

Verwerfung
Ein Bruch in der Erdkruste, an dem sich das Gestein auf beiden Seiten gegeneinander bewegt. Die Bewegung an einer Verwerfung kann langsam und gleichmäßig sein oder plötzlich, bei einem Erdbeben.
Tektonische Platte
Eines der großen, starren Stücke der äußeren Hülle der Erde. In Kalifornien bewegt sich die Pazifische Platte mit etwa 2 Zoll (5 cm) pro Jahr nach Nordwesten an der Nordamerikanischen Platte entlang.
San-Andreas-Verwerfungssystem
Die Familie von Verwerfungen, die in Kalifornien den größten Teil der Bewegung zwischen der Pazifischen und der Nordamerikanischen Platte aufnimmt. Rund um die Bucht von San Francisco gehören dazu die San-Andreas-, die Hayward- und die Calaveras-Verwerfung.
Transformgrenze★
Eine Plattengrenze, an der zwei Platten seitlich aneinander vorbeigleiten, ohne dass Platte neu gebildet oder zerstört wird. Das San-Andreas-Verwerfungssystem ist das bekannteste Beispiel an Land.
Elastischer Rückprall
Die Erklärung von Erdbeben durch H. F. Reid aus dem Jahr 1910: Das Gestein auf beiden Seiten einer verhakten Verwerfung verbiegt sich langsam, während sich die Platten bewegen, und speichert dabei Spannung, bis die Verwerfung abgleitet und das Gestein ruckartig zurückschnellt. Das ist bis heute das Grundmodell des Erdbebenzyklus.
Magnitude
Ein Maß für die Größe eines Erdbebens. Jede ganze Stufe auf der Momenten-Magnituden-Skala setzt etwa 32-mal mehr Energie frei.
Hypozentrum und Epizentrum★
Das Hypozentrum (Herd) ist der Punkt im Untergrund, an dem der Bruch beginnt; das Epizentrum ist der Punkt an der Oberfläche direkt darüber. Das Hypozentrum von Loma Prieta lag in etwa 11 Meilen (17 km) Tiefe.
Erdbebenprognose
Eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit, dass ein Erdbeben einer bestimmten Größe in einem bestimmten Gebiet innerhalb einer bestimmten Zeit auftritt, etwa „30 % in 30 Jahren“. Sie ist keine Vorhersage eines Datums.
Künstliche Aufschüttung
Land, das Menschen geschaffen haben, indem sie Sand, Erde und Schutt ins Wasser oder in tief liegendes Gelände gekippt oder gepumpt haben. Ein großer Teil der Uferlinie der Bucht von San Francisco, darunter der Marina District, ist auf Aufschüttungen gebaut.
Bodenverflüssigung
Der Festigkeitsverlust von lockerem, wassergesättigtem Sand während der Erschütterungen, sodass er sich wie eine Flüssigkeit verhält. Gebäude darauf sinken ein oder kippen, und Sand und Wasser spritzen als Sandvulkane nach oben.
Standortverstärkung
Die Verstärkung der Erschütterungen dort, wo seismische Wellen von festem Fels in weichen Boden übergehen: Die Wellen werden langsamer, und ihre Amplitude wächst. 1989 bebte der weiche Boden rund um die Bucht zwei- bis viermal stärker als der Fels in der Nähe.
Verwerfungskriechen
Langsames, stetiges Gleiten an einer Verwerfung ohne Erdbeben. Teile der Hayward-Verwerfung kriechen einige Millimeter pro Jahr und verbiegen dabei Bordsteine und Mauern, die sie kreuzen.
Erdbebenfrühwarnung
Ein System, bei dem Sensoren in der Nähe eines Erdbebens die ersten, schnelleren seismischen Wellen erfassen und eine Warnung senden, die Sekunden vor den stärksten Erschütterungen eintreffen kann. Das System Kaliforniens beruht auf dem ShakeAlert-Netz des USGS.
P-Wellen und S-Wellen★
Die beiden Arten seismischer Wellen, die sich durch das Erdinnere ausbreiten. P-Wellen (Primärwellen) sind schneller und meist schwächer; S-Wellen (Sekundärwellen) kommen später an und richten einen großen Teil der Schäden an.
Unbewehrtes Mauerwerk★
Ältere Bauten aus Ziegel oder Naturstein ohne Stahlbewehrung. Solche Gebäude, wie die an der Pacific Garden Mall in Santa Cruz, stürzen bei starken Erschütterungen besonders leicht ein.
Erdbebenertüchtigung
Die nachträgliche Verstärkung eines bestehenden Bauwerks, damit es Erdbeben standhält, zum Beispiel indem Betonstützen mit Stahlmänteln umhüllt und Brückenfelder miteinander verbunden werden.

Kapitelübersicht Eine Zeit wählen, um ab dort abzuspielen

0:005:04 Uhr nachmittags

17. Oktober 1989: Mehr als 60.000 Fans sind im Candlestick Park für Spiel 3 der World Series zwischen den San Francisco Giants und den Oakland A's, als um 5:04 Uhr nachmittags das Stadion zu beben beginnt und die Live-Übertragung in Bildrauschen übergeht.

0:39Die Verwerfung nebenan

Kalifornien liegt an der Grenze, an der die Pazifische Platte mit etwa 2 Zoll (5 cm) pro Jahr nach Nordwesten an der Nordamerikanischen Platte entlanggleitet, vor allem entlang des San-Andreas-Verwerfungssystems, das sich rund um die Bucht in die San-Andreas-, die Hayward- und die Calaveras-Verwerfung aufspaltet. Auf dem größten Teil ihrer Länge bleiben die Verwerfungen jahrzehnte- oder jahrhundertelang verhakt und setzen dann die gespeicherte Spannung auf einen Schlag frei.

1:201906

Das Erdbeben der Magnitude 7,9 vom 18. April 1906 brach etwa 296 Meilen (477 km) der San-Andreas-Verwerfung auf; es folgte ein Großbrand, etwa 28.000 Gebäude wurden zerstört, und mehr als 3.000 Menschen starben. Versätze von bis zu etwa 21 Fuß (6,4 m) führten H. F. Reid zur Theorie des elastischen Rückpralls, und das aufgeschüttete Ufer, aus dem der Marina District wurde, bereitete den Boden für 1989.

2:38Die Prognose

1988 gab die Working Group on California Earthquake Probabilities (eine Arbeitsgruppe für Erdbebenwahrscheinlichkeiten in Kalifornien) dem südlichen Abschnitt der San-Andreas-Verwerfung in den Santa Cruz Mountains eine Wahrscheinlichkeit von 30 % für ein Erdbeben der Magnitude 6,5 bis 7 innerhalb von 30 Jahren. Das Erdbeben kam gleich im nächsten Jahr.

3:08Fünfzehn Sekunden

Ein Bruch der Magnitude 6,9 begann etwa 11 Meilen (17 km) unter den Santa Cruz Mountains, nahe dem Gipfel Loma Prieta; die stärksten Erschütterungen dauerten etwa 15 Sekunden, und der Bruch erreichte nie die Oberfläche. In Santa Cruz stürzten alte Backsteingebäude ein, die Aufschüttung des Marina District verflüssigte sich, ein Teil der oberen Fahrbahn der Bay Bridge stürzte ab, und der Einsturz des doppelstöckigen Cypress Street Viaduct in Oakland forderte die meisten Todesopfer.

5:19Die Folgen

Die Bilanz: 63 Tote, 3.757 Verletzte, mehr als 18.000 beschädigte Wohnhäuser, etwa 12.000 Obdachlose und etwa 6 Milliarden Dollar Schaden. Das Stadion hielt stand, und die World Series wurde zehn Tage später fortgesetzt.

5:45Was sich änderte

San Francisco riss 1991 den beschädigten Embarcadero Freeway ab und öffnete sein Ufer wieder; der östliche Abschnitt der Bay Bridge wurde durch einen neuen ersetzt, der für ein starkes Erdbeben ausgelegt ist (eröffnet 2013); ältere Brücken und Schnellstraßen in ganz Kalifornien wurden ertüchtigt; und zum 30. Jahrestag, 2019, begann der Bundesstaat, Frühwarnungen an Handys zu senden.

6:44Das nächste Beben

Die Hayward-Verwerfung verläuft direkt unter den Städten der Ostseite der Bucht, kriecht einige Millimeter pro Jahr und brach zuletzt 1868 in einem Erdbeben der Magnitude 6,8. Der USGS beziffert die Wahrscheinlichkeit für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,7 oder stärker in der Bay Area zwischen 2014 und 2043 auf 72 %; deshalb üben Millionen Menschen jeden Oktober „Drop, Cover and Hold On“ (auf den Boden, in Deckung, festhalten). Drei Dinge zum Merken schließen die Folge ab.

Häufige Fehlvorstellungen Für die Lehrkraft

FehlvorstellungJe näher man am Epizentrum eines Erdbebens ist, desto schlimmer sind immer die Schäden.

Was die Belege zeigenDie Entfernung spielt eine Rolle, aber der Untergrund auch. 1989 entstanden die tödlichsten Schäden in Oakland und San Francisco, etwa 60 Meilen von der Verwerfung entfernt, auf weichem Buchtschlamm und künstlichen Aufschüttungen, die die Erschütterungen verstärkten und sich stellenweise verflüssigten. Fachgerecht geplante Gebäude auf festem Grund nahe dem Epizentrum hielten im Allgemeinen gut stand.

FehlvorstellungWissenschaftler haben das Loma-Prieta-Erdbeben vorhergesagt.

Was die Belege zeigenSie haben es prognostiziert, und das ist etwas anderes. Die Working Group von 1988 gab dem südlichen Abschnitt in den Santa Cruz Mountains eine Wahrscheinlichkeit von 30 % für ein Erdbeben der Magnitude 6,5 bis 7 in 30 Jahren: eine Wahrscheinlichkeit, kein Datum. Bis heute kann niemand den Tag eines Erdbebens vorhersagen, und der Bruch von 1989 war selbst ungewöhnlich, mit fast ebenso viel Bewegung nach oben und darüber hinweg (Aufschiebung) wie seitlicher Bewegung, auf einer steil unter die Berge einfallenden Verwerfungsfläche.

FehlvorstellungEine kriechende Verwerfung wie die Hayward-Verwerfung ist ungefährlich, weil sie ihre Spannung sanft abbaut.

Was die Belege zeigenDas Kriechen an der Hayward-Verwerfung beschränkt sich größtenteils auf die obersten paar Meilen. Unterhalb von etwa 3 Meilen (5 km) ist die Verwerfung verhakt und speichert Spannung, und 1868 erzeugte sie ein Erdbeben der Magnitude 6,8. Der USGS gibt dem Hayward–Rodgers-Creek-Verwerfungssystem eine Wahrscheinlichkeit von 33 % für ein Erdbeben der Magnitude 6,7 oder stärker zwischen 2014 und 2043.

FehlvorstellungDie Erdbebenfrühwarnung sagt Erdbeben voraus, bevor sie beginnen.

Was die Belege zeigenDie Frühwarnung erkennt ein Erdbeben, das bereits begonnen hat. Sensoren nahe der Quelle erfassen die schnelleren P-Wellen, und eine elektronische Warnung eilt den langsameren, zerstörerischen Wellen voraus. Orte weit von der Quelle können viele Sekunden Vorwarnzeit bekommen; Orte ganz in ihrer Nähe womöglich gar keine.

FehlvorstellungEin Erdbeben der Magnitude 7,9 ist nur ein bisschen stärker als eines der Magnitude 6,9.

Was die Belege zeigenJede ganze Stufe auf der Magnitudenskala bedeutet etwa 32-mal mehr Energie; das Erdbeben von 1906 setzte also rund 32-mal so viel Energie frei wie Loma Prieta, und es brach eine etwa zehnmal längere Verwerfungsstrecke auf.

Diskussionsfragen

  1. Das Epizentrum lag in den Santa Cruz Mountains, doch viele der zerstörerischsten Schäden traten etwa 60 Meilen entfernt auf. Erkläre mithilfe der Folge, warum. Was sagt das darüber aus, wie eine Stadt entscheiden sollte, wo sie Gebäude zuerst verstärkt?
  2. Die Prognose von 1988 gab dem Abschnitt in den Santa Cruz Mountains eine Wahrscheinlichkeit von 30 % für ein großes Erdbeben in 30 Jahren, und es kam im nächsten Jahr. War die Prognose ein Erfolg? Was hätte es bedeutet, wenn es bis 2018 kein Erdbeben gegeben hätte?
  3. Ein großer Teil des Landes, das im Marina District versagte, wurde von Menschen geschaffen, indem eine kleine Bucht aufgefüllt wurde. Wer sollte dafür verantwortlich sein, den Untergrund zu kennen, auf dem ein Haus steht, und Käufer darüber zu informieren? Gibt es in deiner eigenen Region Orte, die auf Aufschüttungen gebaut sind?
  4. Nach 1989 entschied sich San Francisco, den Embarcadero Freeway abzureißen, statt ihn zu reparieren, während der östliche Abschnitt der Bay Bridge für Milliarden ersetzt wurde. Vergleiche diese Entscheidungen: Welche Kriterien (Kosten, Sicherheit, Verkehr, das Bild und das Leben der Stadt) waren deiner Meinung nach jeweils am wichtigsten?
  5. Auf dem Cypress Street Viaduct herrschte weniger Verkehr als sonst, weil viele Menschen früh nach Hause gegangen waren, um die World Series zu sehen. Was sagt dir das darüber, wie der Zeitpunkt eines Erdbebens seine Opferzahl beeinflusst? Wie könnte die Bilanz um 8 Uhr morgens an einem Werktag oder um 3 Uhr nachts an einem Sonntag anders aussehen?
  6. Eine Frühwarnung könnte dir zwischen gar keiner Zeit und vielleicht 20 Sekunden vor den starken Erschütterungen verschaffen. Mache eine Liste, was du, deine Schule, ein Bahnbetreiber und ein Krankenhaus mit fünf Sekunden sinnvoll tun könnten, und was mit zwanzig.

Quiz Antwort wählen; sie wird sofort geprüft

1.Welche Beschreibung passt am besten zur Plattengrenze unter der Region um die Bucht von San Francisco?

2.Was schloss H. F. Reid aus den nach dem Erdbeben von 1906 gemessenen Bodenversätzen?

3.Was liegt unter dem Teil des Marina District, der 1989 schwer beschädigt wurde?

4.Was sagte die Working Group on California Earthquake Probabilities 1988 über den südlichen Abschnitt der San-Andreas-Verwerfung in den Santa Cruz Mountains?

5.Warum sanken und kippten Gebäude im Marina District während des Erdbebens von 1989?

6.Warum bebten Teile von San Francisco und Oakland, etwa 60 Meilen vom Epizentrum entfernt, stärker als nähere Standorte auf Fels?

7.Welche Zahlen entsprechen der Zusammenfassung des USGS zum Loma-Prieta-Erdbeben?

8.Wie kann ein Erdbebenfrühwarnsystem Menschen warnen, bevor die starken Erschütterungen sie erreichen?

9.Warum halten viele Wissenschaftler die Hayward-Verwerfung für die gefährlichste Verwerfung der Bay Area?

10.Was sagt die Prognose des USGS für 2014 bis 2043 tatsächlich aus?

Schriftliche Antwort

1. Erkläre mit der Idee des elastischen Rückpralls, wie Platten, die sich nur etwa 2 Zoll (5 cm) pro Jahr bewegen, plötzliche Erdbeben erzeugen können. Nutze in deiner Antwort Belege aus dem Jahr 1906.

Was eine gute Antwort enthält

Die Platten bewegen sich gleichmäßig, aber die Verwerfungen zwischen ihnen sind durch Reibung verhakt; deshalb verbiegt sich das Gestein auf beiden Seiten, statt zu gleiten, und speichert jahrzehnte- oder jahrhundertelang Spannung. Wenn die Spannung die Festigkeit der Verwerfung übersteigt, gleitet sie plötzlich ab, und das verbogene Gestein schnellt zurück. 1906 wurden Straßen und Zäune, die die San-Andreas-Verwerfung kreuzten, um bis zu etwa 21 Fuß (6,4 m) versetzt; das entspricht weit mehr als einem Jahrhundert Plattenbewegung, freigesetzt in weniger als einer Minute. Reid nutzte diese Messungen, um 1910 die Theorie zu formulieren.

2. Der Marina District liegt etwa 60 Meilen vom Epizentrum entfernt, und doch stürzten dort sieben Gebäude ein, und mindestens drei Menschen starben. Erkläre, warum, mithilfe der Geschichte des Geländes und des Wissens darüber, wie der Boden auf Erschütterungen reagiert.

Was eine gute Antwort enthält

Der beschädigte Teil der Marina steht auf einer aufgefüllten kleinen Bucht: lockerer Sand, der für die Panama-Pacific International Exposition von 1915 aufgespült wurde, zusammen mit älteren Aufschüttungen, die etwas Schutt von 1906 enthalten könnten. In weichen, wassergesättigten Sedimenten werden seismische Wellen langsamer und größer; deshalb wurden die Erschütterungen weit über das Maß verstärkt, das auf dem Fels des nahen Fort Mason auftrat. Dann verflüssigten die Erschütterungen den lockeren Sand: Er verlor seine Festigkeit, Gebäude sanken ein und kippten, Sandvulkane brachen aus, und seitliches Ausbreiten des Bodens zerriss Gas- und Wasserleitungen. Ein großes Feuer brach aus, und weil die Hauptwasserleitungen versagt hatten, musste ein Löschboot Wasser aus der Bucht pumpen. Gebäude mit schwachen, offenen Garagengeschossen im Erdgeschoss waren besonders gefährdet.

3. Ein Freund sagt: „Wissenschaftler haben Loma Prieta vorhergesagt, und jetzt sagen sie, dass das nächste große Beben bis 2043 kommt.“ Erkläre, was an beiden Hälften dieser Aussage falsch ist.

Was eine gute Antwort enthält

Keine der beiden Aussagen ist eine Vorhersage. 1988 gaben Wissenschaftler dem südlichen Abschnitt in den Santa Cruz Mountains eine Wahrscheinlichkeit von 30 % für ein Erdbeben der Magnitude 6,5 bis 7 innerhalb von 30 Jahren; dass es im nächsten Jahr kam, war keine Prognose des Datums. Die Prognose des USGS für 2014 bis 2043 ist eine Wahrscheinlichkeit von 72 % für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,7 oder stärker irgendwo in der Bay Area in diesen 30 Jahren. Ein großes Erdbeben ist also wahrscheinlicher als nicht, aber nicht sicher; es könnte an jeder Verwerfung der Region auftreten, und es könnte an jedem beliebigen Tag kommen. Deshalb ist es wichtig, sich jetzt vorzubereiten.

Vertiefung Universität und gymnasiale Oberstufe

Wie stark war Loma Prieta?

Die Momenten-Magnitude wird aus dem seismischen Moment M₀ = μ·A·D abgeleitet: der Steifigkeit des Gesteins (μ) mal der Fläche der Verwerfung, die geglitten ist (A), mal dem mittleren Versatz (D). Hanks und Kanamori (1979) legten Mw = (2/3)(log₁₀M₀ − 9.1) fest, mit M₀ in Newtonmetern, also M₀ = 101.5 Mw + 9.1. Die abgestrahlte Energie wächst mit jeder ganzen Magnitudenstufe um etwa das 101.5 ≈ 32-Fache. Die USGS Circular 1045 berichtet, dass sich beim Bruch von 1989 etwa 190 Quadratmeilen (etwa 490 km²) verborgener Verwerfungsfläche verschoben, und dass geodätische Messungen etwa 6 Fuß rechtslateralen Versatz und 4 Fuß Aufschiebungsversatz anzeigen.

Aufgabe(a) Wie viel mehr Energie setzte das Erdbeben von 1906 (M7.9) frei als Loma Prieta (M6.9)? Wie schneidet Loma Prieta im Vergleich zum Erdbeben von 1868 an der Hayward-Verwerfung (M6.8) ab? (b) Berechne das seismische Moment eines Erdbebens mit Mw 6,9. (c) Schätze mit μ = 3.0 × 1010 Pa den mittleren Versatz ab und vergleiche ihn mit der geodätischen Schätzung.

Ausführliche Lösung

(a) 101.5 × 1.0 ≈ 32-mal so viel. Loma Prieta setzte 101.5 × 0.1 ≈ 1,4-mal die Energie des Erdbebens von 1868 frei; beide waren also ähnlich groß, doch die Hayward-Verwerfung verläuft unter den Städten der Ostseite der Bucht. (b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m. (c) A ≈ 4.9 × 108 m², also D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1,9 m, etwa 6 Fuß. Der geodätische Versatzvektor beträgt √(6² + 4²) ≈ 7,2 Fuß (2,2 m): eine Übereinstimmung auf etwa 15 %, was angesichts der Unsicherheit bei μ und bei der Bruchfläche gut ist.

Die Spannungsbilanz der Verwerfungen der Bay Area

In der gesamten Region der Bucht von San Francisco bewegen sich die Platten um etwa 1,6 Zoll (4 cm) pro Jahr gegeneinander (USGS Fact Sheet 2016-3020). Der USGS schätzt, dass sich Erdbeben wie das von 1906, mit Versätzen von etwa 20 Fuß, ungefähr alle 200 Jahre wiederholen. An der Hayward-Verwerfung ergeben datierte Bachablagerungen eine langfristige Gleitrate von etwa 8 mm (0,3 Zoll) pro Jahr (Lienkaemper und Borchardt, 1996). An der Oberfläche kriecht die Verwerfung mit etwa 4 bis 5 mm pro Jahr, doch das Kriechen beschränkt sich größtenteils auf die obersten 3 Meilen (5 km); darunter ist die Verwerfung verhakt. Historische Vermessungen deuten auf etwa 6 Fuß (2 m) horizontalen Versatz beim Erdbeben von 1868 hin (USGS Fact Sheet 2008-3019).

Aufgabe(a) Welche mittlere Gleitrate am nördlichen Abschnitt der San-Andreas-Verwerfung ergibt sich aus 20 Fuß Versatz alle 200 Jahre? Welcher Anteil der regionalen Plattenbewegung ist das, und wohin geht der Rest? (b) Wie groß ist das Versatzdefizit, das sich zwischen 1868 und 2026 am verhakten Teil der Hayward-Verwerfung angesammelt hat? Vergleiche es mit dem Versatz von 1868. (c) Warum beseitigt das Oberflächenkriechen die Gefahr der Hayward-Verwerfung nicht?

Ausführliche Lösung

(a) 20 ft ÷ 200 yr = 0.1 ft pro Jahr, etwa 1,2 Zoll (3 cm) pro Jahr, ungefähr drei Viertel der 1,6 Zoll pro Jahr der gesamten Region; der Rest wird von der Hayward-, der Rodgers-Creek-, der Calaveras-Verwerfung und weiteren Verwerfungen des Systems aufgenommen. (b) 158 Jahre × 8 mm pro Jahr ≈ 1,3 m, etwa 4 Fuß: bereits ein großer Teil der rund 2 m von 1868, im Einklang mit der Einschätzung des USGS, dass die Verwerfung jederzeit ein Erdbeben der Magnitude 6,8 bis 7,0 erzeugen kann. (c) Kriechen baut Spannung nur nahe der Oberfläche ab, und selbst dort ist es langsamer als die langfristige Rate; der tiefere, verhakte Teil der Verwerfung speichert weiter Spannung, bis er bricht.

Warum weicher Boden in Resonanz gerät

Eine weiche Sedimentschicht der Dicke H über viel steiferem Fels fängt Scherwellen ein und gerät in Resonanz. Ihre Grundperiode (Viertelwellenlänge) ist T = 4H/Vs, wobei Vs die Scherwellengeschwindigkeit der Schicht ist. Im Marina District zeigte eine Bohrung etwa 80 m (260 ft) Sediment, überwiegend älteren Buchtschlamm mit einer Vs von etwa 300 m/s, über dem Grundgebirge (Boatwright und andere, in USGS Professional Paper 1551-F). Nachbebenaufzeichnungen zeigten, dass die Marina die Erschütterungen bei etwa 1 Hertz um den Faktor 7 bis 10 gegenüber der Felskuppe von Fort Mason verstärkte. Eine gängige Faustregel gibt die Eigenperiode eines Gebäudes mit etwa 0,1 s pro Stockwerk an.

Aufgabe(a) Berechne die Grundperiode und die Frequenz der Sedimentsäule der Marina und vergleiche sie mit dem beobachteten Maximum. (b) Welche Gebäudehöhen wären an einem solchen Standort am stärksten durch Resonanz gefährdet? (c) Für das Hauptbeben zeigen Aufzeichnungen des USGS eine Verstärkung von nur etwa dem 2- bis 4-Fachen an weichen Standorten, viel weniger als bei den kleinen Nachbeben. Schlage eine Erklärung vor.

Ausführliche Lösung

(a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1,07 s, eine Frequenz von etwa 0,94 Hz, passend zum beobachteten Verstärkungsmaximum bei etwa 1 Hz. (b) Nach der Faustregel würden Gebäude mit etwa 8 bis 12 Stockwerken (Eigenperioden nahe 1 s) mit dem Boden in Resonanz geraten; niedrige Holzhäuser haben kürzere Perioden, und in der Marina brachten sie die Bodenverflüssigung und schwache Erdgeschosse zum Einsturz, nicht die Resonanz allein. (c) Weiche Böden verhalten sich bei starken Erschütterungen nichtlinear: Sie werden weicher und dissipieren mehr Energie, was die Verstärkung verringert und die Resonanz zu längeren Perioden verschiebt. Verstärkungsfaktoren aus schwachen Bodenbewegungen überschätzen daher die Verstärkung bei einem zerstörerischen Erdbeben, auch wenn die Erschütterungen auf weichem Boden immer noch viel stärker sind als auf Fels.

Was eine Prognose von 72 % für jedes Jahr bedeutet

Wenn große Erdbeben in einer Region zeitlich zufällig mit einer mittleren Rate λ pro Jahr aufträten (ein Poisson-Prozess), wäre die Wahrscheinlichkeit für mindestens eines in t Jahren P = 1 − exp(−λt). Die Prognose des USGS (UCERF3, Fact Sheet 2016-3020) nennt für 2014 bis 2043 in der Bay Area: 98 % für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,0 oder stärker, 72 % für Magnitude 6,7 oder stärker und 51 % für Magnitude 7,0 oder stärker; für einzelne Verwerfungen 33 % für die Hayward- oder die Rodgers-Creek-Verwerfung und 22 % für die San-Andreas-Verwerfung, jeweils für Magnitude 6,7 oder stärker. Die tatsächliche Prognose berücksichtigt auch die seit dem letzten Erdbeben jeder Verwerfung vergangene Zeit; das Poisson-Modell ist daher eine Näherung.

Aufgabe(a) Rechne die 72 % in eine gleichwertige jährliche Rate, ein mittleres Intervall und eine Wahrscheinlichkeit für ein einzelnes Jahr um. Warum ist 72 % ÷ 30 = 2,4 % pro Jahr falsch? (b) Mache dasselbe für die Prognose von 1988 (30 % in 30 Jahren). Wie groß war die Wahrscheinlichkeit, dass das Erdbeben gleich im nächsten Jahr kommen würde? (c) Wenn die Hayward–Rodgers-Creek- und die San-Andreas-Verwerfung unabhängig wären, wie groß wäre die Wahrscheinlichkeit für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,7 an einer von beiden? Worauf entfällt der Rest der 72 %?

Ausführliche Lösung

(a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 0.042 pro Jahr, ein mittleres Intervall von etwa 24 Jahren und eine Wahrscheinlichkeit für ein einzelnes Jahr von 1 − exp(−0.042) ≈ 4,1 %. Die Division durch 30 setzt voraus, dass sich Wahrscheinlichkeiten addieren, doch Wahrscheinlichkeiten für „mindestens eines“ setzen sich anders zusammen: 2,4 % pro Jahr ergäben in 30 Jahren nur 1 − 0.976^30 ≈ 52 %, nicht 72 %. (b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 0.012 pro Jahr, also etwa 1,2 % Wahrscheinlichkeit in einem beliebigen Jahr: Die Prognose hat den Abschnitt richtig erkannt, aber der Zeitpunkt 1989 war nicht Teil davon. (c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48, also 48 %. Der Rest entfällt auf die Calaveras-Verwerfung und andere große Verwerfungen sowie auf weniger bekannte und unbekannte Verwerfungen (allein 13 %).

Wie viel Vorwarnzeit ist möglich?

Bei der Erdbebenfrühwarnung treten elektronische Warnungen in einem Wettlauf gegen seismische Wellen an. Nimm typische Geschwindigkeiten der oberen Erdkruste an: 6,0 km/s für P-Wellen und 3,5 km/s für S-Wellen. Der Bruch von Loma Prieta begann in etwa 17 km (11 Meilen) Tiefe, unter einem Epizentrum etwa 9 Meilen (14,5 km) von Santa Cruz und 60 Meilen (97 km) von San Francisco entfernt. Nimm an, dass das System seine Warnung 8 Sekunden nach Beginn des Bruchs herausgibt; das lässt Zeit, bis die P-Wellen mehrere nahe Stationen erreichen, und für die Verarbeitung. Die Zustellung an Handys kann weitere Zeit kosten.

Aufgabe(a) Berechne die geradlinige Entfernung vom Hypozentrum zum Marina District in San Francisco sowie die Ankunftszeiten der P- und S-Wellen dort. Wie viel Vorwarnzeit hätte die Marina vor den S-Wellen gehabt? (b) Wiederhole die Rechnung für Santa Cruz. (c) Schätze den Radius der „blinden Zone“ an der Oberfläche, innerhalb derer die S-Wellen vor der Warnung eintreffen. Warum könnten echte Vorwarnzeiten noch kürzer sein?

Ausführliche Lösung

(a) R = √(97² + 18²) ≈ 98,7 km. Die P-Wellen kommen nach 98,7 ÷ 6,0 ≈ 16,4 s an und die S-Wellen nach 98,7 ÷ 3,5 ≈ 28,2 s; eine Warnung nach 8 s ergibt also etwa 20 Sekunden Vorwarnzeit. (b) R = √(14,5² + 18²) ≈ 23,1 km; die S-Wellen kommen nach etwa 6,6 s an, also vor der Warnung: Santa Cruz hätte keine Vorwarnung gehabt. (c) In 8 s legen die S-Wellen 28 km zurück; an der Oberfläche reicht das bis √(28² − 18²) ≈ 21 km (etwa 13 Meilen) vom Epizentrum. Echte Vorwarnzeiten können kürzer sein, weil sich der Bruch etwa 20 km in jede Richtung entlang der Verwerfung ausbreitete, sodass starke Wellen auch von Teilen der Verwerfung kamen, die vielen Orten näher lagen, und weil Warnungen Zeit brauchen, bis sie Handys erreichen. Ein tiefes Hypozentrum wie hier hilft sogar, weil es die Ankunft der S-Wellen an der Oberfläche verzögert.

Bezug zu Bildungsstandards

Next Generation Science Standards (NGSS, USA)

MS-ESS2-2

Auf der Grundlage von Belegen eine Erklärung dafür entwickeln, wie geowissenschaftliche Prozesse die Erdoberfläche auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen verändert haben.

In dieser Folge: Langsame Plattenbewegung, als Spannung gespeichert und in Sekunden freigesetzt; die Versätze von 1906; das Kriechen der Hayward-Verwerfung, das über Jahrzehnte Bordsteine verbiegt.

MS-ESS3-2

Daten zu Naturgefahren analysieren und interpretieren, um künftige katastrophale Ereignisse vorherzusagen und die Entwicklung von Technologien zur Minderung ihrer Folgen zu unterstützen.

In dieser Folge: Die Erdbebenprognosen von 1988 und 2014, die Ertüchtigung von Schnellstraßen, der neue Abschnitt der Bay Bridge und die Erdbebenfrühwarnung.

HS-ESS2-1

Ein Modell entwickeln, das veranschaulicht, wie innere und oberflächliche Prozesse der Erde auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen wirken und so Merkmale der Kontinente und des Meeresbodens formen.

In dieser Folge: Ein Modell der Transformgrenze und des Zyklus des elastischen Rückpralls; der schräge Versatz von 1989, der Teile der Santa Cruz Mountains anhob.

HS-ESS3-1

Auf der Grundlage von Belegen eine Erklärung dafür entwickeln, wie die Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen, das Auftreten von Naturgefahren und Klimaveränderungen menschliche Aktivitäten beeinflusst haben.

In dieser Folge: Bauen auf Aufschüttungen und Buchtschlamm, die Opferbilanz von 1906 und 1989, das wieder geöffnete Ufer am Embarcadero und die heutige Vorbereitung der Bay Area.

HS-PS4-1

Mathematische Darstellungen nutzen, um eine Aussage über die Beziehungen zwischen Frequenz, Wellenlänge und Geschwindigkeit von Wellen zu stützen, die sich in verschiedenen Medien ausbreiten.

In dieser Folge: Seismische Wellen, die in weichem Boden langsamer und größer werden, die Resonanz der Sedimente der Marina und die Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen bei der Frühwarnung.

HS-ETS1-3

Eine Lösung für ein komplexes reales Problem anhand priorisierter Kriterien und Abwägungen bewerten, die eine Reihe von Randbedingungen berücksichtigen, darunter Kosten, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Ästhetik sowie mögliche soziale, kulturelle und ökologische Auswirkungen.

In dieser Folge: Ertüchtigen, ersetzen oder abreißen: der Cypress Street Viaduct, der östliche Abschnitt der Bay Bridge und der Embarcadero Freeway.

Advanced Placement (AP, USA)

Universitätskurse

Physische Geologie

Transformgrenzen; das San-Andreas-Verwerfungssystem; elastischer Rückprall und Erdbebenzyklus; Verwerfungskriechen; schräger Versatz

Naturgefahren

Erdbebenprognose und Wahrscheinlichkeit; Standorteffekte und Bodenverflüssigung; Lehren aus 1906 und 1989; Erdbebenfrühwarnung; Vorsorge

Ingenieurseismologie und Geotechnik

Seismisches Moment und Magnitude; Standortverstärkung und Resonanz weicher Böden; Verflüssigung hydraulischer Aufschüttungen; Erdbebenertüchtigung von Brücken und Viadukten

Transkript Der Sprechertext auf Deutsch, wie in den Untertiteln

0:005:04 Uhr nachmittags

San Francisco, am 17. Oktober 1989. Mehr als 60.000 Fans füllen den Candlestick Park für Spiel drei der World Series zwischen den San Francisco Giants und den Oakland A's.

0:13Um vier Minuten nach fünf hat die Fernsehübertragung gerade begonnen. Dann beginnt sich das Stadion zu bewegen, und das Livebild, das an Millionen von Zuschauern ausgestrahlt wird, zerfällt und bricht ab.

0:25Dies ist die Geschichte des Erdbebens von Loma Prieta. Wir sehen uns die Verwerfung an, die dahintersteckt, die Warnungen, die ihm vorausgingen, und wie eine ganze Region nach seinen Lehren wieder aufgebaut wurde.

0:39Die Verwerfung nebenan

Kalifornien liegt an der Grenze zwischen zwei tektonischen Platten. Die Pazifische Platte schrammt mit etwa 2 Zoll pro Jahr nach Nordwesten an der Nordamerikanischen Platte entlang.

0:49Ein Großteil dieser Bewegung findet entlang der San-Andreas-Verwerfung statt, die sich über mehr als 700 Meilen durch Kalifornien zieht. Rund um die Bucht von San Francisco spaltet sie sich in eine ganze Familie von Verwerfungen auf, darunter die San-Andreas-, die Hayward- und die Calaveras-Verwerfung.

1:05Auf dem größten Teil ihrer Länge gleiten diese Verwerfungen nicht gleichmäßig. Sie verhaken sich, das Gestein um sie herum verbiegt sich über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte, und dann wird die gespeicherte Spannung auf einen Schlag freigesetzt.

1:201906

San Francisco musste das am 18. April 1906 schmerzlich erfahren, als ein Erdbeben der Magnitude 7,9 die San-Andreas-Verwerfung auf fast 300 Meilen Länge aufriss.

1:32Geborstene Gasleitungen und Hauptwasserleitungen verwandelten die Erschütterungen in einen Feuersturm, der tagelang wütete. Etwa 28.000 Gebäude wurden zerstört, und mehr als 3.000 Menschen kamen ums Leben.

1:44Nördlich der Stadt wurden Straßen und Zäune, die die Verwerfung kreuzten, auseinandergerissen und seitlich versetzt. In der Nähe des Ortes Olema verschob sich der Boden auf der einen Seite der Verwerfung um etwa 21 Fuß gegenüber der anderen.

1:56Ein Wissenschaftler namens Harry Fielding Reid untersuchte diese Messungen und fand heraus, warum Erdbeben entstehen. Das Gestein auf beiden Seiten einer verhakten Verwerfung verbiegt sich langsam und speichert dabei Energie, bis die Verwerfung plötzlich verrutscht und das Gestein in seine Form zurückschnellt. Er nannte dies den elastischen Rückprall, und so erklären Geologen Erdbeben bis heute.

2:17Die Stadt wurde schnell wieder aufgebaut, und 1915 feierte sie dies mit einer Weltausstellung. Um Platz für das Ausstellungsgelände zu schaffen, wurde eine kleine Bucht am Nordufer mit Sand aufgefüllt, den man aus der Bucht pumpte, dazu mit etwas Schutt. Aus diesem neuen Land wurde später ein Stadtviertel namens Marina District.

2:38Die Prognose

In den 1980er-Jahren schätzten Wissenschaftler ab, welche Abschnitte der San-Andreas-Verwerfung am ehesten als Nächstes brechen würden. Einer der Abschnitte, die sie hervorhoben, lag in den südlichen Santa Cruz Mountains, südlich von San Francisco.

2:511988 bezifferte ein nationales Gremium von Erdbebenexperten die Wahrscheinlichkeit eines großen Erdbebens in diesem Abschnitt innerhalb von 30 Jahren auf 30 Prozent.

3:01Das Erdbeben kam gleich im nächsten Jahr.

3:08Fünfzehn Sekunden

Um vier Minuten nach fünf brach die Verwerfung etwa 11 Meilen unter den Santa Cruz Mountains, nahe dem Gipfel Loma Prieta. Das Erdbeben hatte eine Magnitude von 6,9.

3:19Die stärksten Erschütterungen dauerten nur etwa 15 Sekunden, und der Bruch erreichte nie die Oberfläche. Seine seismischen Wellen breiteten sich jedoch über die ganze Region aus, und an manchen Orten verstärkte der Boden selbst sie noch.

3:33Nahe dem Epizentrum zerfielen alte Backsteingebäude an der Pacific Garden Mall in Santa Cruz auf die Straße, und dort kamen drei Menschen ums Leben.

3:41Etwa 60 Meilen entfernt, im Marina District, verwandelten die Erschütterungen den lockeren, nassen Boden unter den Häusern fast in eine Flüssigkeit. Gebäude sackten ab, und einige stürzten ein.

3:53Im Grunde trug das Land, das für die Feier der Stadt zu ihrem Wiederaufbau geschaffen worden war, 74 Jahre nach der Weltausstellung dazu bei, Gebäude zum Einsturz zu bringen. Gasleitungen barsten, ein großes Feuer brach aus, mindestens drei Menschen starben im Marina District, und sieben Gebäude stürzten ein.

4:08Der Marina District war nicht der einzige gefährdete Ort. Rund um die Bucht standen Gebäude und Straßen auf weichem Schlamm und aufgeschüttetem Boden, und in weichem Boden werden seismische Wellen langsamer und größer, wie Wackelpudding, der in einer Schüssel zittert. Diese Orte wurden zwei bis vier Mal so stark erschüttert wie fester Fels in der Nähe.

4:27Auf der Bay Bridge brach ein 50 Fuß langes Stück der oberen Fahrbahn ab und stürzte auf die darunterliegende Fahrbahn. Ein Mensch kam ums Leben, und die Brücke war etwa einen Monat lang gesperrt.

4:37Die schlimmste Katastrophe ereignete sich in Oakland. Der Cypress Street Viaduct war eine doppelstöckige Schnellstraße, und ihre obere Fahrbahn stürzte auf die untere, auf Autos im abendlichen Berufsverkehr. Dort starben einundvierzig Menschen.

4:51Der Verkehr war an diesem Abend geringer als sonst, weil viele Menschen früh nach Hause gegangen waren, um die World Series zu sehen, und Experten gehen davon aus, dass dies eine weit höhere Zahl von Todesopfern verhinderte.

5:02Rettungskräfte durchsuchten die Trümmer tagelang. Fast vier Tage nach dem Erdbeben fanden sie unter der eingestürzten Fahrbahn einen Mann, der noch lebend in seinem Auto saß. Er überlebte die Rettung, starb aber etwa einen Monat später, wodurch die Zahl der Toten dort auf 42 stieg.

5:19Die Folgen

Insgesamt starben 63 Menschen, und mehr als 3.700 wurden verletzt. Mehr als 18.000 Wohnhäuser wurden beschädigt, rund 12.000 Menschen verloren ihr Zuhause, und der Schaden belief sich auf etwa 6 Milliarden Dollar.

5:33Im Candlestick Park hielt das Stadion stand, und die Fans verließen es unversehrt. Die World Series wurde zehn Tage später fortgesetzt, und die A's gewannen sie schließlich, ohne ein einziges Spiel zu verlieren.

5:45Was sich änderte

Das Erdbeben veränderte auch San Francisco. Der beschädigte Embarcadero Freeway, eine Betonwand entlang des Ufers, wurde 1991 abgerissen, und das Ufer der Stadt öffnete sich wieder zur Bucht hin.

5:58Die östliche Hälfte der Bay Bridge wurde vollständig ersetzt. Der neue Brückenabschnitt, gebaut, um einem starken Erdbeben standzuhalten, wurde 2013 eröffnet und kostete etwa 6,4 Milliarden Dollar.

6:11In ganz Kalifornien nahmen sich Ingenieure Schnellstraßen und Brücken vor, die vor den modernen Bauvorschriften gebaut worden waren, ummantelten alte Betonpfeiler mit Stahl und verbanden ihre Brückenfelder miteinander.

6:23Wissenschaftler bauten außerdem ein Erdbeben-Frühwarnsystem namens ShakeAlert auf, das die ersten, schnelleren Wellen erkennt und eine Warnung aussendet, bevor die starken Erschütterungen eintreffen. Zum dreißigsten Jahrestag von Loma Prieta, im Jahr 2019, begann Kalifornien, diese Warnungen an Handys zu senden.

6:44Das nächste Beben

Die Platten haben nicht aufgehört, sich zu bewegen. Viele Wissenschaftler halten die Hayward-Verwerfung für die gefährlichste der Region. Sie verläuft direkt unter den Städten auf der Ostseite der Bucht, und zuletzt brach sie 1868.

6:57Sie können tatsächlich sehen, wie sich die Hayward-Verwerfung bewegt. Teile von ihr kriechen ständig weiter, um etwa ein Fünftel Zoll pro Jahr. In der Innenstadt von Hayward wurden alte Bordsteine, die die Verwerfung kreuzen, im Laufe der Jahrzehnte Stück für Stück seitlich verbogen.

7:12Ihr letztes großes Erdbeben im Jahr 1868 hat fast jedes Gebäude in Hayward zerstört oder schwer beschädigt und etwa 30 Menschen getötet. Bis 1906 war es dieses Erdbeben, das die Menschen das große Erdbeben von San Francisco nannten.

7:27Der U.S. Geological Survey beziffert die Wahrscheinlichkeit für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,7 oder stärker in der Bay Area zwischen 2014 und 2043 auf 72 Prozent.

7:40Deshalb führen jedes Jahr im Oktober, um den Jahrestag von Loma Prieta herum, Millionen von Menschen die Übung Great ShakeOut durch. Sie besteht aus drei einfachen Schritten: Gehen Sie auf Hände und Knie, schützen Sie Kopf und Nacken, unter einem stabilen Tisch, falls einer in der Nähe ist, und halten Sie sich fest, bis das Beben aufhört.

7:59Merken Sie sich also drei Dinge. Erstens: Loma Prieta war ein Erdbeben der Magnitude 6,9 im San-Andreas-Verwerfungssystem, und seine stärksten Erschütterungen dauerten nur etwa 15 Sekunden. Zweitens: Viele der schwersten Schäden entstanden weit entfernt von der Verwerfung, an Orten wie dem Marina District und der Cypress-Schnellstraße. Dort machten weicher Schlamm und aufgeschütteter Boden die Erschütterungen zwei bis vier Mal so stark. Und drittens ist es für die Bay Area noch nicht vorbei: Die Wahrscheinlichkeit eines weiteren Erdbebens der Magnitude 6,7 oder stärker dort zwischen 2014 und 2043 liegt bei 72 Prozent.

8:36Loma Prieta war nicht das ganz große Beben, aber es war eine Mahnung. Die Platten unter der Bucht verschieben sich noch immer um etwa 1,6 Zoll pro Jahr, und die Verwerfungen speichern diese Spannung. Danke fürs Zuschauen bei Earth Explained. Abonnieren Sie für die nächste Geschichte, und sehen Sie den Planeten live, rund um die Uhr, auf EarthWatch 24-7.

Quellen

  1. U.S. Geological Survey. M 6.9 – October 17, 1989 Loma Prieta Earthquake. Earthquake Hazards Program. www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/science/m-69-october-17-1989-loma-prieta-earthquakeVerwendet für: Uhrzeit, Magnitude, Epizentrum, Tote, Verletzte, Schäden, Santa Cruz, Bay Bridge, Bodenverflüssigung
  2. Plafker, G., & Galloway, J. (Eds.) (1989). Lessons Learned from the Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989. U.S. Geological Survey Circular 1045. pubs.usgs.gov/publication/cir1045Verwendet für: Tiefe des Hypozentrums, Größe und Versatz des Bruchs, verborgener Bruch, Verstärkung, Marina District, Cypress und Bay Bridge
  3. O'Rourke, T. D., et al. (1992). The Loma Prieta, California, Earthquake of October 17, 1989: Marina District. U.S. Geological Survey Professional Paper 1551-F. pubs.usgs.gov/publication/pp1551FVerwendet für: Geschichte der Aufschüttung der Marina, Bodenverflüssigung, eingestürzte Gebäude, Standortresonanz und -verstärkung
  4. Borcherdt, R. D., & Glassmoyer, G. (1992). On the characteristics of local geology and their influence on ground motions generated by the Loma Prieta earthquake in the San Francisco Bay region, California. Bulletin of the Seismological Society of America, 82(2), 603–641. doi.org/10.1785/BSSA0820020603Verwendet für: Verstärkung der Erschütterungen auf Aufschüttungen und Buchtschlamm
  5. Housner, G. W., & Thiel, C. C., Jr. (1990). Competing against time: Report of the Governor's Board of Inquiry on the 1989 Loma Prieta earthquake. Earthquake Spectra, 6(4), 681–711. doi.org/10.1193/1.1585592Verwendet für: Verstärkung durch weiche Böden, das Versagen des Cypress Street Viaduct und der Bay Bridge
  6. Working Group on California Earthquake Probabilities (1988). Probabilities of Large Earthquakes Occurring in California on the San Andreas Fault. U.S. Geological Survey Open-File Report 88-398. pubs.usgs.gov/publication/ofr88398Verwendet für: Die Prognose von 1988
  7. U.S. Geological Survey. The Great 1906 San Francisco Earthquake. Earthquake Hazards Program. earthquake.usgs.gov/earthquakes/events/1906calif/18aprilVerwendet für: Länge des Bruchs von 1906, Opfer und zerstörte Gebäude, Reids Theorie des elastischen Rückpralls, Wiederkehr
  8. Brocher, T. M., et al. (2008). The Hayward Fault: Is It Due for a Repeat of the Powerful 1868 Earthquake? U.S. Geological Survey Fact Sheet 2008-3019. pubs.usgs.gov/fs/2008/3019Verwendet für: Das Erdbeben von 1868, Kriechen der Hayward-Verwerfung, Wiederkehr
  9. Lienkaemper, J. J., & Borchardt, G. (1996). Holocene slip rate of the Hayward fault at Union City, California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 101(B3), 6099–6108. doi.org/10.1029/95JB01378Verwendet für: Langfristige Gleitrate der Hayward-Verwerfung
  10. Aagaard, B. T., et al. (2016). Earthquake Outlook for the San Francisco Bay Region 2014–2043. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2016-3020 (ver. 1.1). pubs.usgs.gov/publication/fs20163020Verwendet für: Prognose von 72 %, Wahrscheinlichkeiten einzelner Verwerfungen, regionale Plattenbewegung, „Drop, Cover and Hold On“ (auf den Boden, in Deckung, festhalten)
  11. Burkett, E., Given, D. D., & Jones, L. M. (2014). ShakeAlert: An Earthquake Early Warning System for the United States West Coast. U.S. Geological Survey Fact Sheet 2014-3083. pubs.usgs.gov/publication/fs20143083Verwendet für: Wie Erdbebenfrühwarnung funktioniert
  12. Berkeley News (2019, October 17). California rolls out first statewide earthquake early warning system. University of California, Berkeley. news.berkeley.edu/2019/10/17/california-rolls-out-first-statewide-earthquake-early-warning-systemVerwendet für: Warnungen auf Handys, eingeführt zum 30. Jahrestag von Loma Prieta (MyShake)
  13. Metropolitan Transportation Commission. San Francisco–Oakland Bay Bridge. www.baybridgeinfo.orgVerwendet für: Der neue östliche Abschnitt: Eröffnung und Kosten
  14. Hanks, T. C., & Kanamori, H. (1979). A moment magnitude scale. Journal of Geophysical Research, 84(B5), 2348–2350. doi.org/10.1029/JB084iB05p02348Verwendet für: Momenten-Magnitude und seismisches Moment

Bilder in der Folge: USGS, NOAA und NASA (gemeinfrei), mit Karten von NASA/USGS Landsat über NASA GIBS; Animationen von EarthWatch 24-7. Vollständige Bildnachweise: earthwatch247.com/credits.html.

Diese Lektion zitieren

EarthWatch 24-7. (2026). Das Erdbeben der World Series: Loma Prieta, 1989: Warum die schlimmsten Schäden 60 Meilen von der Verwerfung entfernt entstanden [Videolektion]. Earth Explained: Erdbeben, Fallstudie. https://earthwatch247.com/learn/loma-1989/de/

Lösungen

  1. C. Es handelt sich um eine Transformgrenze: Die Platten bewegen sich mit etwa 2 Zoll (5 cm) pro Jahr seitlich aneinander vorbei, und die Bewegung verteilt sich auf die San-Andreas-, die Hayward-, die Calaveras-Verwerfung und verwandte Verwerfungen.
  2. A. Das ist der elastische Rückprall (1910). Seine zentrale Einsicht: Das Gleiten an der Verwerfung verursacht das Erdbeben, nicht umgekehrt.
  3. D. Studien des USGS zeichnen die Auffüllung der kleinen Bucht nach, die mit einer hydraulischen Sandaufspülung für die Panama-Pacific International Exposition von 1915 endete. Lockere, nasse Sandaufschüttung ist genau die Art von Boden, die sich verflüssigt.
  4. B. Die Prognose war eine Wahrscheinlichkeit, keine Vorhersage eines Datums. Die 72 % sind die Prognose des USGS für die gesamte Bay Area für 2014 bis 2043.
  5. A. Das ist Bodenverflüssigung. Im ganzen Viertel traten Sandvulkane und Risse durch seitliches Ausbreiten des Bodens auf, etwa 60 Meilen vom Epizentrum entfernt; der Bruch selbst erreichte nie die Oberfläche.
  6. C. Standortverstärkung: Das Governor's Board of Inquiry (der Untersuchungsausschuss des Gouverneurs) stellte fest, dass der weiche Boden rund um die Bucht die Erschütterungen stärker verstärkte, als die Bauvorschriften vorgesehen hatten.
  7. B. 63 Tote, 3.757 Verletzte und etwa 6 Milliarden Dollar Sachschaden. Die erste Option beschreibt das Erdbeben und den Brand von 1906.
  8. D. Warnungen verbreiten sich fast augenblicklich, während seismische Wellen einige Meilen pro Sekunde zurücklegen. Das Erdbeben muss bereits begonnen haben.
  9. C. Ihr Erdbeben von 1868 (Magnitude 6,8) tötete etwa 30 Menschen, als die Region noch dünn besiedelt war; heute leben Millionen Menschen entlang der Verwerfung.
  10. A. Die 72 % gelten für die ganze Region und alle ihre Verwerfungen über 30 Jahre. Für einzelne Verwerfungen sind die Werte niedriger: 33 % für die Hayward- oder die Rodgers-Creek-Verwerfung und 22 % für die San-Andreas-Verwerfung.

Schriftliche Antwort

  1. Die Platten bewegen sich gleichmäßig, aber die Verwerfungen zwischen ihnen sind durch Reibung verhakt; deshalb verbiegt sich das Gestein auf beiden Seiten, statt zu gleiten, und speichert jahrzehnte- oder jahrhundertelang Spannung. Wenn die Spannung die Festigkeit der Verwerfung übersteigt, gleitet sie plötzlich ab, und das verbogene Gestein schnellt zurück. 1906 wurden Straßen und Zäune, die die San-Andreas-Verwerfung kreuzten, um bis zu etwa 21 Fuß (6,4 m) versetzt; das entspricht weit mehr als einem Jahrhundert Plattenbewegung, freigesetzt in weniger als einer Minute. Reid nutzte diese Messungen, um 1910 die Theorie zu formulieren.
  2. Der beschädigte Teil der Marina steht auf einer aufgefüllten kleinen Bucht: lockerer Sand, der für die Panama-Pacific International Exposition von 1915 aufgespült wurde, zusammen mit älteren Aufschüttungen, die etwas Schutt von 1906 enthalten könnten. In weichen, wassergesättigten Sedimenten werden seismische Wellen langsamer und größer; deshalb wurden die Erschütterungen weit über das Maß verstärkt, das auf dem Fels des nahen Fort Mason auftrat. Dann verflüssigten die Erschütterungen den lockeren Sand: Er verlor seine Festigkeit, Gebäude sanken ein und kippten, Sandvulkane brachen aus, und seitliches Ausbreiten des Bodens zerriss Gas- und Wasserleitungen. Ein großes Feuer brach aus, und weil die Hauptwasserleitungen versagt hatten, musste ein Löschboot Wasser aus der Bucht pumpen. Gebäude mit schwachen, offenen Garagengeschossen im Erdgeschoss waren besonders gefährdet.
  3. Keine der beiden Aussagen ist eine Vorhersage. 1988 gaben Wissenschaftler dem südlichen Abschnitt in den Santa Cruz Mountains eine Wahrscheinlichkeit von 30 % für ein Erdbeben der Magnitude 6,5 bis 7 innerhalb von 30 Jahren; dass es im nächsten Jahr kam, war keine Prognose des Datums. Die Prognose des USGS für 2014 bis 2043 ist eine Wahrscheinlichkeit von 72 % für mindestens ein Erdbeben der Magnitude 6,7 oder stärker irgendwo in der Bay Area in diesen 30 Jahren. Ein großes Erdbeben ist also wahrscheinlicher als nicht, aber nicht sicher; es könnte an jeder Verwerfung der Region auftreten, und es könnte an jedem beliebigen Tag kommen. Deshalb ist es wichtig, sich jetzt vorzubereiten.

Vertiefung

  1. Wie stark war Loma Prieta?: (a) 101.5 × 1.0 ≈ 32-mal so viel. Loma Prieta setzte 101.5 × 0.1 ≈ 1,4-mal die Energie des Erdbebens von 1868 frei; beide waren also ähnlich groß, doch die Hayward-Verwerfung verläuft unter den Städten der Ostseite der Bucht. (b) M₀ = 101.5 × 6.9 + 9.1 = 1019.45 ≈ 2.8 × 1019 N·m. (c) A ≈ 4.9 × 108 m², also D = M₀ ÷ (μA) ≈ 2.8 × 1019 ÷ (3.0 × 1010 × 4.9 × 108) ≈ 1,9 m, etwa 6 Fuß. Der geodätische Versatzvektor beträgt √(6² + 4²) ≈ 7,2 Fuß (2,2 m): eine Übereinstimmung auf etwa 15 %, was angesichts der Unsicherheit bei μ und bei der Bruchfläche gut ist.
  2. Die Spannungsbilanz der Verwerfungen der Bay Area: (a) 20 ft ÷ 200 yr = 0.1 ft pro Jahr, etwa 1,2 Zoll (3 cm) pro Jahr, ungefähr drei Viertel der 1,6 Zoll pro Jahr der gesamten Region; der Rest wird von der Hayward-, der Rodgers-Creek-, der Calaveras-Verwerfung und weiteren Verwerfungen des Systems aufgenommen. (b) 158 Jahre × 8 mm pro Jahr ≈ 1,3 m, etwa 4 Fuß: bereits ein großer Teil der rund 2 m von 1868, im Einklang mit der Einschätzung des USGS, dass die Verwerfung jederzeit ein Erdbeben der Magnitude 6,8 bis 7,0 erzeugen kann. (c) Kriechen baut Spannung nur nahe der Oberfläche ab, und selbst dort ist es langsamer als die langfristige Rate; der tiefere, verhakte Teil der Verwerfung speichert weiter Spannung, bis er bricht.
  3. Warum weicher Boden in Resonanz gerät: (a) T = 4 × 80 ÷ 300 ≈ 1,07 s, eine Frequenz von etwa 0,94 Hz, passend zum beobachteten Verstärkungsmaximum bei etwa 1 Hz. (b) Nach der Faustregel würden Gebäude mit etwa 8 bis 12 Stockwerken (Eigenperioden nahe 1 s) mit dem Boden in Resonanz geraten; niedrige Holzhäuser haben kürzere Perioden, und in der Marina brachten sie die Bodenverflüssigung und schwache Erdgeschosse zum Einsturz, nicht die Resonanz allein. (c) Weiche Böden verhalten sich bei starken Erschütterungen nichtlinear: Sie werden weicher und dissipieren mehr Energie, was die Verstärkung verringert und die Resonanz zu längeren Perioden verschiebt. Verstärkungsfaktoren aus schwachen Bodenbewegungen überschätzen daher die Verstärkung bei einem zerstörerischen Erdbeben, auch wenn die Erschütterungen auf weichem Boden immer noch viel stärker sind als auf Fels.
  4. Was eine Prognose von 72 % für jedes Jahr bedeutet: (a) λ = −ln(1 − 0.72) ÷ 30 = −ln(0.28) ÷ 30 ≈ 1.273 ÷ 30 ≈ 0.042 pro Jahr, ein mittleres Intervall von etwa 24 Jahren und eine Wahrscheinlichkeit für ein einzelnes Jahr von 1 − exp(−0.042) ≈ 4,1 %. Die Division durch 30 setzt voraus, dass sich Wahrscheinlichkeiten addieren, doch Wahrscheinlichkeiten für „mindestens eines“ setzen sich anders zusammen: 2,4 % pro Jahr ergäben in 30 Jahren nur 1 − 0.976^30 ≈ 52 %, nicht 72 %. (b) λ = −ln(0.70) ÷ 30 ≈ 0.012 pro Jahr, also etwa 1,2 % Wahrscheinlichkeit in einem beliebigen Jahr: Die Prognose hat den Abschnitt richtig erkannt, aber der Zeitpunkt 1989 war nicht Teil davon. (c) 1 − (1 − 0.33)(1 − 0.22) = 1 − 0.67 × 0.78 ≈ 0.48, also 48 %. Der Rest entfällt auf die Calaveras-Verwerfung und andere große Verwerfungen sowie auf weniger bekannte und unbekannte Verwerfungen (allein 13 %).
  5. Wie viel Vorwarnzeit ist möglich?: (a) R = √(97² + 18²) ≈ 98,7 km. Die P-Wellen kommen nach 98,7 ÷ 6,0 ≈ 16,4 s an und die S-Wellen nach 98,7 ÷ 3,5 ≈ 28,2 s; eine Warnung nach 8 s ergibt also etwa 20 Sekunden Vorwarnzeit. (b) R = √(14,5² + 18²) ≈ 23,1 km; die S-Wellen kommen nach etwa 6,6 s an, also vor der Warnung: Santa Cruz hätte keine Vorwarnung gehabt. (c) In 8 s legen die S-Wellen 28 km zurück; an der Oberfläche reicht das bis √(28² − 18²) ≈ 21 km (etwa 13 Meilen) vom Epizentrum. Echte Vorwarnzeiten können kürzer sein, weil sich der Bruch etwa 20 km in jede Richtung entlang der Verwerfung ausbreitete, sodass starke Wellen auch von Teilen der Verwerfung kamen, die vielen Orten näher lagen, und weil Warnungen Zeit brauchen, bis sie Handys erreichen. Ein tiefes Hypozentrum wie hier hilft sogar, weil es die Ankunft der S-Wellen an der Oberfläche verzögert.