Original paper

Seismotektonisch induzierte Brunnenspiegelschwankungen in der Niederrheinischen Bucht

[Seismotectonically induced well level changes in the Lower Rhine Embayment.]

Grecksch, Gunnar; Fischer, Kasper David; Kümpel, Hans-Joachim

Kurzfassung

Seismotektonisch induzierte Schwankungen in Grundwasserspiegel-Aufzeichnungen sind aus vielen Regionen bekannt. Auch in der Niederrheinischen Bucht wurden als Folge des Roermond-Erdbebens vom 13. April 1992 zahlreiche coseismische Anomalien in kontinuierlichen Pegelschrieben beobachtet. Das Roermond-Erdbeben war mit einer Magnitude von 5,9 eines der stärksten Beben Mitteleuropas der letzten fünfhundert Jahre. Durch Umfragen haben wir Pegelschriebe von insgesamt 194 Brunnen erhalten, die zum fraglichen Zeitpunkt mit kontinuierlichen Pegelmessern ausgestattet waren. Die Brunnen erschließen mehrheitlich ungespannte Grundwasserleiter. Etwa 40% der Pegelschriebe zeigen deutliche Reaktionen auf das Beben in Form von dynamischen Schwingungssignalen, Versätzen oder Überlagerungen beider Phänomene. Die Größe der Versatz- und Schwingungssignale liegt im Bereich weniger Zentimeter. Präseismische Anomalien wurden in keinem Fall beobachtet. Der vorliegende Datensatz gehört zu den bisher umfangreichsten Sammlungen coseismischer hydrologischer Effekte zu einem einzelnen Beben. Ziel unserer Untersuchungen ist die Interpretation der Signale im Hinblick auf das Verständnis von Spannungs- und Deformationsumlagerungen im Zusammenhang mit stoßartigen, großräumigen Porendruckstörungen in der Erdkruste. In mehr als 60 Brunnen wurden einfache Pumptests und kontrollierte Druckstörungen vorgenommen, um die hydraulische Durchlässigkeit der erschlossenen Grundwasserleiter zu bestimmen. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Form und Amplitude der beobachteten Anomalien einerseits und der hydraulischen Leitfähigkeit andererseits ist jedoch nicht erkennbar. Modellrechnungen für den homogenen, elastischen Halbraum haben gezeigt, daß sich die Stärke der beobachteten Signale nicht allein durch Krustenverschiebungen im Umfeld des Bebenherdes erklären läßt. Die Versätze in den Brunnenspiegelkurven sind hierfür zu groß und unterscheiden sich lokal zu sehr voneinander. Gleichwohl folgen ihre Vorzeichen weitgehend der großräumigen Verteilung von Kompressions- und Dilatationsbereichen des statischen, coseismischen Deformationsfeldes. Die lokalen Unterschiede in den Signalen gehen möglicherweise auf unausgeglichene Porendruckverteilungen im Untergrund zurück, die sich durch die Erschütterungen der Erdbebenwellen teilweise ausgleichen. Hierzu finden gegenwärtig weitere Modellrechnungen statt.

Abstract

Well level anomalies due to tectonic earthquakes have been observed in many earthquake regions. In the Lower Rhine Embayment, numerous coseismic well level changes were observed following the M5.9 Roermond-Earthquake of April 13, 1992. The event was one of the strongest earthquakes during the last five hundred years in Mid-Europe. Through questionnaires we collected recordings of altogether 194 continuously operating well level sensors. Nearly all data are from shallow wells penetrating unconfined aquifers. About 40 % show a significant dynamic or step-like response of cm amplitude to the event. A precursory anomaly was in no case evident. This data set is one of the most extensive collections of coseismic hydrological signals for a single earthquake. Coseismic well level fluctuations are believed to reflect sudden pore pressure changes associated to in-situ volume strain and the redistribution of stress in the brittle crust. Systematic analysis of such fluctuations may improve the knowledge of the role of pore fluids in crustal rheology. The apparently random distribution of wells with significant or no anomalies lead us to conduct slug test? in more than 60 different wells in order to check for irregularities in transmissivity values. A clear relationship between the amplitudes of anomalies and hydraulic conductivities of the connected aquifers was not obvious. The earthquake's static coseismic strain field, derived from analytical model calculations for a homogeneous half-space, is in reasonable agreement with the sign of the observed well level steps, but their amplitudes are about two orders of magnitudes larger than those predicted from the wells' volumetric strain sensitivities. The observed irregular amplitude distribution of the well level anomalies is possibly due to a spatially heterogeneous distribution of pore pressure, which, to some extent, is equilibrated during the passage of seismic waves. This process is the target of ongoing numerical poroelastic modelling.