Einleitung

Die Gründerzeit der seismologischen Observatorien in Deutschland begann in den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts und setzte sich bis zum Beginn des Ersten Weltkrieges fort. Das Schwergewicht der Aktivitäten bestand darin, tektonische Erdbeben aus der ganzen Welt zu registrieren und zu interpretieren. Da sich damals in Deutschland gerade eine Epoche von relativ hoher seismischer Aktivität ereignete, wurde das Augenmerk zusätzlich auf lokale Erdbeben gelenkt. An Stationen in der Nähe von produzierendem Bergbau wurden schon gebirgsschlagähnliche Erschütterungen registriert.

Sehr frühzeitig erkannten die Seismologen, dass zur besseren Untersuchung lokaler seismischer Erscheinungen auch lokale seismische Stationen notwendig sind. Einer Einführung dieser Erkenntnis in die Praxis stand die Tatsache entgegen, dass die damaligen Seismographen für Observatorien bestimmt, meistens recht schwer, wartungsintensiv und nicht transportabel waren. Die im folgenden beschriebene Verwirklichung an der Reichsanstalt für Erdbebenforschung in Jena bzw. in ihren Nachfolgeeinrichtungen umfasst ein etwa vier Jahrzehnte währendes Zeitfenster. Der Fortschritt bestand darin, dass man mit transportablen Seismographen die Observatorien verlassen und an Ort und Stelle, also über und unter Tage in Bergbaubetriebe oder in Karstgebiete gegangen ist. Die Arbeiten zu dieser Thematik liefen aus, als es durch Anwendung elektronischer Mittel möglich wurde, autonome lokale Beobachtungsnetze einzurichten. Die beschriebenen Untersuchungen wenden seismologische Methoden auf lokale, mehr ingenieurtechnische Probleme an, was von Bergbaubetrieben und geologischen Ämtern gern angenommen wurde. Sie liegen also jenseits der 'grossen' Seismologie, aber diesseits der Prospektionsseismik.

Die Konzentration seismologischer Forschungen in Jena war ein guter Nährboden für solche Untersuchungen. 1938 wurden von Gerhard Krumbach (1895-1956) mit Erfolg Testmessungen im Kupferschieferrevier von Eisleben begonnen. Nach dem 2. Weltkrieg wurde der Faden 'Gebirgsschlagforschung' bereits 1946 von Krumbach, Wilhelm Sponheuer (1905-1981) und Hans Martin (1899-1990) wieder aufgenommen und zu einem Standbein des Instituts für Bodendynamik und Erdbebenforschung in Jena entwickelt. Lokale Aussenstationen zur Überwachung von nichttektonischen Erschütterungen wurden erstmals wieder 1954 unter der Regie von Friedrich Gerecke (1899-1981) eingesetzt, der auch in der Folgezeit die wissenschaftliche Bearbeitung übernahm. 1960 begann sich Horst Neunhöfer in diesen Themenkreis einzuarbeiten, um ihn 1964 nach der Pensionierung von Gerecke weiterzuführen. Bei der technischen Wartung half bis 1962 D. Adler, sie wurde danach durch A. Ziegert übernommen. Ein Wechsel in der Leitung des Instituts im Jahre 1966 führte dazu, dass die Förderung für dieses Arbeitsgebiet nachliess, zumal zwischen dem neuen Direktor und der Leitung des Freiberger Instituts für Angewandte Geophysik abgesprochen wurde, Arbeiten dazu in Jena zugunsten von Freiberg auslaufen zu lassen. Als nach dem sehr schweren Gebirgsschlag in Sünna 1975 in der damaligen DDR Gebirgsschläge politische Dimensionen bekamen, wurde die Zentrale des Zentralinstituts für Physik der Erde, von dem das Jenaer Institut seit 1969 ein Teil war, alleiniger Sprecher in Sachen Gebirgschlagforschung. Die ehemaligen Bearbeiter aus Jena waren nur noch für einzelne 'Überhangprobleme' tätig. Eine Anpassung an aufkommende neue Techniken der Überwachung oder gar an eine digitale Aufzeichnung war so nicht möglich.

Instrumentelle Voraussetzungen

Nichttektonische-seismische Ereignisse sind im allgemeinen relativ schwach und oberflächennah. Deshalb können sie nur im Epizentralgebiet selbst überwacht werden, indem dort Stationen aufgebaut werden, die aber im Vergleich zu den Observatorien von niederer Ordnung sind. Mainka (1938) hatte schon sehr früh ein Netz von sechs Stationen im Oberschlesischen Steinkohlenrevier errichtet, um damit Gebirgsschläge aufzuzeichnen. Er arbeitete mit fest installierten Seismographen, die eine recht grosse Masse (ca. 1000 kg) besassen und nicht transportabel waren. Die Überlegungen von KRUMBACH (1939) gingen dahin, Seismographen zu entwickeln und einzusetzen, die nur eine kleine Masse brauchten. Neben der Eigenschaft, den Aufstellungsort einfach wechseln zu können, sollten sie "die möglichst unverfälschte Wiedergabe der Bodenbewegung erlauben, keine schädlichen Eigenschwingungen des Instrumentes und seiner Hebel aufweisen, unempfindlich gegen Beschädigung bei starken Erdstössen sein, eine leichte Bedienbarkeit durch wenig geschulte Beobachter garantieren." Als erste Version entstand ein optisch registrierender Horizontalseismograph mit 25facher Vergrösserung (Krumbach 1939). Durch Einführung zweifacher Reflexion des Lichtstrahles wurde die Vergrösserung auf 100fach erhöht. In dieser Form waren die Krumbachschen Instrumente vor und während des 2. Weltkrieges im Einsatz. Die Vergrösserung von 100fach erwies sich jedoch als zu gering, so dass noch eine mechanische Komponente eingebaut wurde, um eine 2000fache Vergrösserung zu ermöglichen. Dieser Typ mit einer trägen Masse von 4 kg, ergänzt durch einen Vertikalseismographen mit elektrodynamischer Registrierung wurde am Anfang der 50er Jahre im VEB Geophysikalischer Gerätebau Brieselang in einer Kleinserie gebaut. Die Seismographen werden in Abb. 1 gezeigt.

Die Krumbachschen Seismographen hatten einige schwerwiegende Nachteile. So registrierten Horizontal- und Vertikalkomponenten nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien mit verschiedenen Vergrösserungskurven und, was an den wenig komfortablen temporären Stationen oftmals besonders störte, die Horizontalseismographen waren stark neigungsempfindlich. Deshalb wurde die Entwicklung der kurzperiodischen Seismographen HSJ II und VSJ II durch Christian Teupser (1928-1991) besonders gern angenommen, zumal die auf dem elektrodynamischen Prinzip registrierenden Instrumente durch eine geeignete Wahl der Seismometer- und Galvanometerkonstanten auf zu erwartende seismische Signale angepasst werden konnten (Teupser 1971). Leider konnten diese Seismographen erst bei den letzten Projekten der hier beschriebenen Untersuchungen eingesetzt werden.

Die verschiedenen Beobachtungsgebiete. Ergebnisse

Über mehr als 40 Jahre wurden vom Institut für Bodendynamik und Erdbebenforschung bzw. seinen Nachfolgeeinrichtungen eine Vielzahl von kleinen temporären Stationen eingerichtet, um nichttektonische lokale Erschütterungen zu beobachten. Im einzelnen wurden die relativ häufigen Gebirgsschläge im Kupferschieferbergbau des Mansfelder und Sangerhäuser Reviers sowie die Vorgänge im Zusammenhang mit der Flutung der Mansfelder Schächte überwacht. Besonders intensiv waren die Untersuchungen in Senkungsgebieten westlich von Halle/Saale. Es waren Stationen im Salzbergbau des Südharzes und im Werra-Kali-Revier tätig. Die Flutung von Salzschächten, u.a. bei Bernburg und Stassfurt, wurde erfolgreich überwacht. Nur als ganz kurze Episode ist die Station im Steinkohlenbergbau des Zwickau-Oelsnitzer Reviers zu betrachten. In Abb. 2 kann an Hand einer Kartenskizze die Lage aller jemals in Mittel-/Ostdeutschland betriebenen Stationen eingesehen werden. Die Koordinaten der Stationen, die Zeit ihrer Tätigkeit, die Anzahl der zum lokalen Untersuchungsgebiet gehörenden Stationen und die Vergrösserung der Aufzeichnungen können der Tabelle 1 entnommen werden.

Der erste Einsatz der gerade neu entwickelten Krumbachschen Horizontalseismographen erfolgte zu Testzwecken 1938 in Eisleben. Dieser Ort wurde sicherlich deshalb ausgewählt, weil dort ziemlich oft von der Bevölkerung Erschütterungen gespürt wurden, die vom örtlichen Kupferschieferbergbau ausgingen. Der Test war, was die Eignung der Seismographen anbelangt, ein Erfolg. Er brachte auch andere, für die damalige Zeit nicht unbedingt triviale Ergebnisse. Zunächst überraschte, dass trotz der geringen 100fachen Vergrösserung, aber wegen der geringen Herdtiefe noch Ereignisse unterhalb der makroseismischen Wahrnehmung aufgezeichnet wurden. Nicht weniger interessant war die Beobachtung, dass etwa 15% der makroseismisch 'wahrgenommenen' Ereignisse nicht instrumenteil bestätigt werden konnte. Dieses Faktum weist auf eine auch heute noch geltende Unsicherheit bei der Beurteilung makroseismischer Angaben im Grenzbereich der Spürbarkeit hin. Schliesslich erhielten die frühen Beobachtungen in Eisleben eine besondere Bedeutung, da sie einen sehr schweren Gebirgsschlag, der sich am 24. Mai 1940 mit der Magnitude 4,7 im nur 17 km entfernten Krügershall ereignete, und seine Vor- und Nachläufer einschlössen. Sie waren ein wesentlicher Bestandteil des dazu 1940 erarbeiteten Gutachtens von August Sieberg (1875-1945). Die Wiederaufnahme der seismischen Überwachung im Kupferschieferrevier von Eisleben erfolgte nach einer Unterbrechung von 18 Jahren erst im Juni 1958. Sie stand zunächst unter einem unglücklichen Stern. Kurz nachdem drei Stationen unter Tage installiert worden waren, erfolgte am 17. Sep. 1958 ein katastrophaler Wassereinbruch, bei dem die Stationen durch Überflutung verloren gingen. Das war ein wichtiger Grund, weshalb von einer Ausnahme abgesehen in diesem Bergbau nur noch übertägige Stationen betrieben wurden. Eine der Stationen (in Augsdorf) begleitete den Bergbau um Eisleben bis zu seinem Ende, andere (Otto-Brosowski-Schacht, Heiligenthal) waren nur temporär tätig. Letzteres trifft auch auf die Stationen im benachbarten Sangerhäuser Revier (Berahard-Koenen-Schacht, Einzingen, Sangerhausen, Wallhausen) zu. Die wesentliche Erkenntnis aus dem Kupferschieferbergbau war, dass zwei Arten von Gebirgserschütterungen auftraten:

- solche, die im Zusammenhang zum Abbau stehen und die mit Zeitverzögerung dem Abbaurhythmus folgen, und

- jene, die auf (bergbaubedingte) hydrologische Vorgänge zurückzuführen sind.

Die erste Gruppe besteht vorwiegend aus einzelnen Ereignissen, während die zweite sich bevorzugt in Schwärmen konzentriert. Es war also möglich, allein aus der zeitlichen Abfolge Hinweise auf die Ursache der Erschütterungen zu geben. Im Jahre 1972 wurde der Kupferschieferbergbau um Eisleben eingestellt und die vom Bergbau geschaffenen Hohlräume wurden geflutet. Dieser Vorgang wurde an verschiedenen Standorten seismisch überwacht. Rein prophylaktischen Charakter hatte dies nur im Fortschritt-Schacht, die anderen beiden Standorte in Eisleben und der Karl-Liebknecht-Hütte waren nötig, weil plötzlich kleinräumig sehr starke Senkungen in einem Wohngebiet bzw. einer Buntmetallhütte auftraten. Der zweite Fall ist besonders hervorzuheben, weil dabei erstmalig, mit Erfolg die Prognose von grossen Erdfällen aus der Abfolge der auftretenden Erschütterungen gelang.

In der Nähe zum Kupferschieferbergbau liegen in bzw. bei den Ortschaften Erdeborn, Helfta, Unterrissdorf und Volkstedt Senkungsgebiete, die ebenfalls seismisch überwacht worden sind. Sie erregten zunächst die Aufmerksamkeit der Bevölkerung und staatlicher Stellen, weil teilweise sich in Trichtern ausbildende kleinräumige Senkungen beobachtet wurden, die im Extremum grösser als 100 cm/Jahr betrugen und z.T. beträchtliche Schäden an Gebäuden verursachten. Die Senkungen sind nicht als direkte Folge des Bergbaus erklärbar. Sie sind auf die unterirdische Auslaugung von Salz- und Gipsschichten zurückzuführen, welche allerdings durch eine Förderung der Wasserzirkulation infolge der bergbaulichen Tätigkeit verstärkt wird. Das bestätigte sich im nachhinein, als nach der Verwahrung des Bergbau auch entsprechende Vorgänge aufhörten. Die Senkungen waren begleitet von Erschütterungen, die auch makroseismische Stärke hatten. Bedingt durch den Aufbau des Untergrundes wurde die lokale Magnitude 1,5 erreicht. Die analoge Registriertechnik erlaubte eine Dynamik des erfassten Magnitudenbereichs von 1,7 Einheiten. Abb. 3 zeigt als ein Ergebnis der Untersuchungen die beobachteten monatlichen Erschütterungshäufigkeiten in Helfta für die gesamte Beobachtungszeit. Die Beobachtungen verfolgten zwei Ziele:

- eine Korrelation zwischen den Senkungen und der Stärke bzw. Häufigkeit der Erschütterungen herzustellen und

- die subjektiven Beobachtungen der Bevölkerung zu objektivieren.

Ein wichtiges Ergebnis der seismischen Überwachung war, dass auf Grund der zeitlichen Abfolge der Ereignisse das Auftreten eines grossen Erdfalles ausgeschlossen werden konnte und das Ende des Vorganges angezeigt wurde. In Ermangelung ausreichender tektonischer Erdbeben wurden die auslaugungsbedingten lokalen Erschütterungen als Modell für Intraplattenbeben betrachtet, zumal eine kontinuierliche Spannungsentstehung angenommen werden durfte. Das ist der Ausgangsgedanke einer Arbeit von Neunhöfer (1967), der statistisch signifikant nachwies, dass sekundäre Kräfte in geringem Umfang die Zeit der Ereignisse steuern können. Andere Überwachungen, wie in Stassfurt-Mitte und Halle-Neustadt, wo es lediglich um prophylaktische Registrierungen ging, konnten nachweisen, dass dort keine akute Gefährdung durch Auslaugung vorhanden war.

Nicht unerwähnt soll bleiben, dass ziemlich am Anfang der Arbeiten für eine kurze Zeit Beobachtungen im Steinkohlerevier von Zwickau-Oelsnitz durchgeführt wurden. Sie dienten der Objektivierung von makroseismischen Beobachtungen der Bevölkerung und zur Einschätzung der Ursachen von Gebäudeschäden. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die Untersuchungen dort nicht wieder aufgenommen, weil der Bergbau sehr bald eingestellt wurde.

Die bisher beschriebenen Gebiete zeichneten sich meistens dadurch aus, dass eine grosse Zahl von Erschütterungen, auch makroseismisch wahrnehmbare, beobachtet wurden. Das war ganz anders in den verschiedenen Salzbergwerken des Südharz- und Werra-Reviers. Die ersten Untersuchung im Umkreis einer Salzgrube wurde während des Zweiten Weltkrieges in Bernterode durchgeführt. Sie sollten gebirgsmechanische Beobachtungen in einem Teil der Grabe unterstützen, der zu Bruch zu gehen drohte. Der Aufbau je einer seismischen Station über und unter Tage sollte es möglich machen, auf Grund der Amplitude auf die Tiefe der Herde zu schliessen. Die Ergebnisse waren widersprüchlich. Zeiten, in denen kaum Erschütterungen registriert wurden, aber trotzdem der Verfall der Grubenbaue fortschritt, wechselten sich ab mit Zeiten, zu denen vorwiegend unter Tage relativ langperiodische Erschütterungen aufgezeichnet wurden. Wegen der unbefriedigenden Chancen für eine Ortung der Ereignisse wurde der Vorschlag gemacht, ein Netz von vier Stationen mit einem gemeinsamen Zeitdienst zu installieren, was jedoch nicht realisiert wurde.

Am 24. Mai 1940 erreignete sich der schon erwähnte starke Gebirgsschlag in Krügershall. Unmittelbar danach war die seismische Überwachung der Abklingerscheinungen gefragt. Auch hier wurde je eine Station über und unter Tage aufgestellt und mit ihnen weitere schwache Nachstösse dokumentiert. Ihre Hypozentren wurden sowohl dem von der Zerstörung betroffenen Abbauen als auch dem Hangenden zugeordnet. Schon nach wenigen Wochen klangen die Nachstösse ab. Vor allem von Bergleuten, und das nicht nur in diesem Fall, wurde oftmals die fromme Vermutung ausgesprochen, dass Erdbeben zumindest ein auslösendes Moment für Gebirgsschläge seien. Schon damals wurde dem von Sieberg energisch widersprochen.

Im Jahre 1957 wurde die Praxis, je eine Station über und unter Tage aufzubauen, im Kalischacht in Pöthen zum letzten Male aufgegriffen. Dort wurde ebenfalls, wie später in Bischofferode und Merkers, festgestellt, dass schwache Gebirgsschläge in den ostdeutschen Kaligruben seltene Ereignisse sind (s. Gerecke u. Neunhöfer, 1964). Das schliesst nicht aus, dass abhängig von der Lagerstätte und den Abbauverfahren ziemlich überraschend sehr starke katastrophale Gebirgsschläge auftreten können. Besonders betroffen davon war das Werra-Kali-Revier. Die detaillierte Betrachtung der starken Ereignisse liegt ausserhalb der vorliegenden Ausführungen. Die geringe Häufigkeit kleiner Gebirgsschläge gab schliesslich den Anlass, ihre seismische Überwachung einzustellen.

Eine andere Problematik trat auf, als Kalibergwerke stillgelegt und geflutet wurden. Die dabei auftretenden grossräumigen Auslaugungen können nicht bis in jedes Detail so gesteuert werden, dass übertägige Schäden auszuschliessen sind. Da unter Tage die Möglichkeit zur Inspektion fehlt, ist die seismische Überwachung von grosser Bedeutung. Sie wurde von den Bergleuten vor Ort und den Bergbehörden gefordert. An mehreren Standorten ist deshalb eine Überwachung der Flutung erfolgt, und es wurden interessante Erkenntnisse gewonnen. So konnte gezeigt werden, dass in kleinen Gruben, wie z.B. bei Dingelstedt am Harz, die Flutung durchaus ohne Komplikation ablaufen kann. In einem zweiten Fall, in Grossschierstedt, führte die Schwächung des Grubenbaus infolge Flutung zu einem relativ starken Gebirgsschlag. Seine Entstehung mit einigen Vorstössen und seine sehr vielen Nachstössen wurden registriert. Es konnte gezeigt werden, dass ihr Abklingen auch das Omori-Gesetz erfüllt. Eine Trennung zwischen den Nachwirkungen des starken Schlages und anderen durch die Flutung hervorgerufenen Erschütterungen ist statistisch möglich. Die Flutung der Schächte um Bernburg und um Stassfurt wurde von einem anderen dramatischen Ereignis begleitet. Vom 7. zum 8. Nov. 1969 bzw. am 18. Febr. 1975 ging jeweils auf freiem Felde ein gewaltiger Tagesbruch nieder, dessen Durchmesser 100 m überstieg. Im Falle Bernburg war das Anlass, mit Hilfe dreier Stationen das Auftreten von Erschütterungen zu überwachen. In Stassfurt wurde rechtzeitig mit den seismischen Registrierungen begonnen und der Vorgang des niedergehenden Tagesbruches wurde erfasst. Das Ergebnis zeigt Abb. 4. Die aufsummierte Amplitude zeigt, dass vor dem eigentlichen Bruch die Amplitudensumme (und auch die Anzahl) der Erschütterungen eskaliert und danach sich wieder normalisiert. Dieser Ablauf enthält die Möglichkeit, einen solchen Vorgang, der katastrophale Auswirkungen haben kann, kurzzeitig zu prognostizieren. Tatsächlich wurde in einem anderen Gebiet, und zwar im Bereich der Karl-Liebknecht-Hütte, das ebenfalls durch Flutungen gefährdet war, eine Reihe von Kriterien erarbeitet, die erfolgreich starke Bruchvorgänge vorhersagte. Die Kriterien gelten dann, wenn eine genügend feste tragende Schicht vorhanden ist, die vor einem Tagesbruch oder einen starken Erdfall noch zerstört werden muss.

Literatur
Gerecke, F. (1958): Untersuchungen im Senkungsgebiet Erdeborn. - Freiberger Forschungshefte C 45: 13-15.
Gerecke, F. u. Neunhöfer, H. (1964): Beobachtung natürlicher Bodenerschütterungen im Gebiet des Südharzkalibergbaus und der Mansfelder Mulde. - Abh. der Dt. Akademie der Wissenschaften zu Berlin, Klasse für Bergbau, Hüttenwesen und Montangeologie 2: 399-405.
Krumbach, G. (1939): Über ein Stationsseismometer für optische Registrierung. - Zeitschr. f. Geophys. 15: 17-24.
Krumbach, G., Sponheuer, W. u. Martin, H. (1946): Beiträge zur Gebirgsschlagforschung. - Dt. Akademie der Wissenschaften zu Berlin, Zentralinst, für Erdbebenforschung: Jena (unveröffentlicht).
Mainka, C. (1938): Ein Jahrzehnt geophysikalische Gebirgsschlagforschung. - Umschau 42: 634-637.
Neunhöfer, H. (1967): Statistische Gesetzmässigkeiten der zeitlichen Verteilung sowie des Energie-Häufigkeits-Zusammenhanges von Gebirgsschlägen und die Möglichkeit einer statistischen Gebirgsschlagprognose. - Veröff. Inst. für Geodynamik Jena 11: Berlin (Akademie Verlag).
Neunhöfer H. u. Weidermann, V. (1981): Seismische Überwachung von Bergbaugebieten dargestellt am Beispiel der Mansfelder Mulde. - Veröff. Zentralinst. Phys. Erde $4: 138-143; Potsdam.
Seismische Apparatur zur Aufzeichnung von Fern- und Nahbeben. - Prospekt VEB Geräte- und Regler-Werke Teltow, Werk 2 Geogeräte Brieselang.
Sieberg, A. (1940): Gutachten zum Gebirgsschlag Krügershall. - Reichsanstalt für Erdbebenforschung: Jena (unveröffentlicht).
Teupser, Ch. (1971): Die kurzperiodischen Seismographen Typ VSJ-II und HSJ-II. - Veröff. Zentralinst. Phys. Erde 12: Potsdam.