Earthquake-induced deformation structures in lake deposits: A Late Pleistocene to Holocene paleoseismic record for Central Switzerland

Zusammenfassung.

In den bis zu 15,000 Jahre alten Sedimenten von vier Seen in der Zentralschweiz wurden Spuren von drei starken historischen und mindestens sieben prähistorischen Erdbeben gefunden. Der Schweizer Erdbebenkatalog der letzten 1000 Jahre verzeichnet in der Zentralschweiz drei grössere Erdbeben mit Magnituden zwischen M_w=5.7 und M_w = 6.2 (1964 AD Alpnach, 1774 AD Altdorf, 1601 AD Unterwalden) sowie ein katastrophales M_w = 6.9 Ereignis in Basel im Jahre 1356 AD. Zur Bestimmung der Wiederkehrraten dieser starken Erdbeben wurden mit Hilfe von hochauflösender Seismik und Sedimentkernanalysen paläoseismische Untersuchungen in vier verschiedenen Seen in der Zentralschweiz durchgeführt (Lungerer See, Baldegger See, Seelisberg Seeli und Vierwaldstätter See). In Abhängigkeit von der Geometrie des Seebeckens, des Sedimenttyps und der lokalen Bodenerschütterung treten während eines Erdbebens grosse subaquatische Rutschungen oder kleine in-situ Deformationsstrukturen auf. Die Spuren der historischen Erdbeben zeigen, dass Seesedimente nur ab einer Magnitude von M_w>5.7 und bei einer lokalen Bodenerschütterung der Intensität ≥ VII deformiert werden. Mindestens sechs prähistorische Erdbeben in der Zentralschweiz (Epizentrum und Magnitude ähnlich wie beim M_w=6.2 Unterwalden Erdbeben), sowie ein starkes prähistorisches Erdbeben in der Baselregion (Magnitude ähnlich wie beim M_w = 6.9 Basel Erdbeben) konnten anhand der Art und regionalen Verteilung der Deformationsstrukturen bestimmt werden. Darüber hinaus gibt es Hinweise auf ein weiteres Ereignis in der Nähe von Basel und vier weitere Ereignisse in der Zentralschweiz. Im Vergleich zum Mittleren Holozän scheint die Erdbebenhäufigkeit in der Zentralschweiz erhöht während des Spätpleistozäns/Frühholozäns und während der letzten 4000 Jahre. Dies kann einerseits auf isostatische Ausgleichsbewegungen nach dem Abschmelzen des Eises vor 15,000 Jahren, sowie auf eine periodische Aktivierung einer alpinen seismogenen Zone in jüngerer Zeit zurückgeführt werden.

Abstract.

Traces of three larger historic and at least seven prehistoric earthquakes during the last 15,000 years were found in the sedimentary record of four lakes in Central Switzerland. The Swiss historic earthquake catalogue of approximately the last 1000 years reports three larger earthquakes in Central Switzerland with moment magnitudes varying between M_w = 5.7 and M_w = 6.2 (1964 AD Alpnach, 1774 AD Altdorf, 1601 AD Unterwalden) and the nearby catastrophic M_w = 6.9 event close to Basel in 1356 AD. In order to determine the recurrence intervals of such events and thus, the seismic hazard and risk, paleoseismic investigations were carried out in four different lakes of Central Switzerland (Lungerer See, Baldegger See, Seelisberg Seeli, Vierwaldstätter See) using high-resolution seismic data and sediment core analyses. Depending on lake basin geometry, sediment type and local ground shaking earthquake- induced deformation structures comprise large-scale mass movement deposits and small-scale in-situ deformation features. The signatures of historic earthquakes show that lacustrine sediments are only affected by seismic shocks of a minimum magnitude of ~M_w = 5.7 and within or close to the isoseismal line of intensity VII. Traces of at least six prehistoric events in Central Switzerland of similar size and magnitude than the M_w = 6.2 1601AD Unterwalden earthquake and one prehistoric 1356AD Basel-type earthquake are determined by evaluating the type of deformation and the basin-wide as well as the regional distribution of deformations. One further event in the Basel region and four events in Central Switzerland are less well defined in the sedimentary record. Compared to the Mid Holocene earthquake frequency in Central Switzerland seems to be enhanced during Late Pleistocene/Early Holocene time and during the last 4000 cal y BP, which can be related to isostatic rebound after the ice retreat starting at about 15,000 cal y BP and a periodic activation of a seismogenic zone in the Alps during recent times.