Tsunamis in the Caribbean Sea : implications from coarse-clast deposits and the importance of their shape

Oetjen, Jan; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor); Brückner, Helmut (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

An vielen Küsten rund um die Erde stellen Tsunamis eine ernsthafte Bedrohung für die Bevölkerung dar, welche direkte (z. B. Todesopfer durch Ertrinken) und indirekte Schäden (u. a. Schäden an Infrastruktur und Beeinträchtigung der Trinkwasserversorgung) nach sich ziehen können. Tsunamis der jüngeren Vergangenheit, wie 2011 in Japan (Tōhoku-Oki-Tsunami) oder 2004 in Thailand (Indian-Ocean-Tsunami), haben gezeigt, dass es in vielen Regionen an einem ausreichenden Verständnis zur konkreten lokalen Tsunamigefährdung mangelt. So waren, obwohl bereits vor 2011 geologische Hinweise auf hochenergetische Tsunamis vorlagen, die Tsunami-Managementpläne und Minderungsmaßnahmen in vielen Regionen Japans lediglich an den stärksten Ereignissen der vergangenen 100 bis 200 Jahre bemessen und daher nicht ausreichend, um den Auswirkungen des Tōhoku-Oki-Tsunamis gewachsen zu sein. Da die vorliegenden geologischen Ablagerungen jedoch bereits auf solch intensive Tsunamis hinwiesen, wurde im Nachgang zu der Tsunamikatastrophe 2011 in Japan dazu übergegangen, geologische Hinweise auf nicht dokumentierte historische und prähistorische Tsunamis (Paläo-Tsunamis) explizit in der Auslegung von Minderungsmaßnahmen und in Managementplänen zu berücksichtigen. Die Berücksichtigung solcher geologischer Hinweise erfüllt dabei den Nutzen, Informationen zu Tsunamis bereitzustellen, welche nicht aufgezeichnet oder beobachtet wurden und langjährige Eintrittsintervalle bzw. sehr niedrige Eintrittswahrscheinlichkeiten aufweisen (Wiederkehrintervalle von 1.000 Jahren und mehr). Damit erlaubt es die Analyse geologischer Ablagerungen küstenspezifisch abzuschätzen, ob hier Tsunami-Ereignisse auftreten können, welche bisherige Beobachtungen oder Abschätzungen übertreffen. So können Risikominderungsstrategien und Managementpläne entsprechend angepasst werden. In der vorliegen Dissertation wird die Analyse geologischer Ablagerungen für die Karibische See und insbesondere die Insel Bonaire (ABC-Inseln, Kleine Antillen) angewendet. Während für die Karibik eine große Anzahl an Tsunamibeobachtungen aus den vergangenen ca. 520 Jahren existieren, von denen jedoch nur ein Bruchteil verifiziert ist, liegen für Bonaire und die gesamten ABC-Inseln keine konkreten Aufzeichnungen vor. Gerade auf Bonaire gibt es jedoch eine große Anzahl an geologischen Ablagerungen, die auf hochenergetische Wellenereignisse hinweisen. Die Untersuchung des möglicherweise tsunami-induzierten Transports einiger dieser Ablagerungen auf Bonaire in Form experimenteller und numerischer Modelle bilden den Kern der vorliegenden Dissertation, wobei diese von einer ganzheitlichen Analyse der Tsunamigefahr im karibischen Raum begleitet werden. In diesem Kontext wurde in einem ersten Schritt das Inventar an Tsunamiablagerungen in der gesamten Karibik erhoben und der Versuch unternommen, diese Ablagerungen bezüglich des dazugehörigen Verlagerungsereignisses (Sturmwellen oder Tsunamis) zu klassifizieren. Dazu wurden unter anderem numerische Tsunamisimulationen für die Karibik auf Basis von verifizierten und angenommenen Erdbebenszenarien als Tsunamitrigger durchgeführt. Im Zuge dieser Simulationen wurden die Tsunamihöhen entlang aller Küstenlinien in der Karibik berechnet, das besondere Augenmerk lag jedoch auf den Gebieten Boka Olivia und Spelonk entlang der Nordküste Bonaires. Im Vergleich der simulierten Tsunamis mit den Ergebnissen aus empirischen Block-Transport-Gleichungen wurde deutlich, dass die simulierten Tsunamis keine Wellenintensitäten erzeugen, die ausreichend sind, um die größten Boulder auf der Insel Bonaire umzulagern. Als Ursache für diese Diskrepanz konnten u. a. die ungenügende Genauigkeit der empirischen Transport-Gleichungen (z. B. infolge zu starker Vereinfachungen) und inadäquate Auswahl oder Reproduktion der Erdbebenszenarien identifiziert werden. Unter dem Eindruck dieser Resultate und zur Einschätzung der Genauigkeit von empirischen Boulder-Transport-Gleichungen wurde im Anschluss eine umfangreiche Analyse bisheriger physikalischer Experimente zum tsunamiinduzierten Block-Transport durchgeführt und deren Schwachstellen identifiziert. Als größte Schwachstelle trat dabei die Vernachlässigung von Boulderformen abseits idealisierter Würfel oder Quader hervor, welche daher als zu untersuchendes Kernelement der anschließenden physikalischen Experimente ausgewählt wurde. Im Rahmen dieser Recherche wurde des Weiteren deutlich, dass die heute verfügbaren und vielfach angewendeten empirischen Gleichungen zur Beschreibung des Block-Transports durch Tsunamis nicht geeignet sind, exakte Werte zu möglichen Tsunamiintensitäten zu bestimmen. Daher wird empfohlen, stattdessen mit Wahrscheinlichkeitsbereichen zur Boulder-Mobilisierung zu arbeiten und sich damit in öffentlichen Aussagen auch auf Bereiche möglicher Tsunamiintensitäten zu beschränken. Als weiteres Element der Studie wurde ein Werkzeug entwickelt, welches dem Anwender der empirischen Transport-Gleichungen ermöglicht einzuschätzen, ob auf Basis der lokalen Randbedingungen die Anwendung der Gleichungen eher eine Unterschätzung oder Überschätzung des tatsächlich transportursächlichen Tsunamis erwarten lässt. Für die physikalischen Modellversuche wurde der größte wellentransportierte Block auf der Insel Bonaire ausgewählt, um insbesondere den Einfluss der Form des Blocks, aber auch der Küstenform, des Eintauchgrads des Blocks im Wasser sowie der Block-Ausrichtung auf Transportprozesse zu untersuchen und deren Effekt auf die Anwendung von empirischen Block-Transport-Gleichungen zu beurteilen. Dazu wurde dieser Boulder photogrammetrisch erfasst und in einer Skalierung von 1:50 in physikalischen Modellversuchen im direkten Vergleich mit idealisierten Block-Modellen untersucht. Aus den Ergebnissen dieser Modellversuche geht klar hervor, dass die Berücksichtigung der Form in Berechnungen zum Zusammenhang zwischen Boulder-Transport und notwendiger Tsunamiintensität unerlässlich ist. Gerade stromlinienförmige Boulder werden erst später durch die angreifende Wellenenergie in Bewegung versetzt und im anschließenden Transportprozess nur über kürzere Distanzen verlagert. Abschließend wurde auf Basis eines vorhandenen numerischen Zwei-Phasen-Modells zur Wellenerzeugung durch Hangrutschungen die erste Version eines numerischen Block-Transport-Modells entwickelt, welches zum einen die Signifikanz der Blockform und zum anderen den Einfluss von Sedimentfracht in der Welle auf den Transport belegen soll. Erste Ergebnisse aus der Anwendung der aktuellen Modellversion belegen die Wichtigkeit der Form und dessen Ausrichtung zum Tsunami und deuten darauf hin, dass eine höhere mittlere Dichte der angreifenden Welle einen transportfördernden Effekt hat.

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