SPRENGUNGEN NEBEN EINER HÖHLE: AM STÄRKSTEN GEFÄHRDET WAREN DIE KURZEN RÖHRCHEN

Im Vercors-Massiv im Südosten Frankreichs empfängt die Höhle von Choranche etwa 100.000 Besucher im Jahr. Ihr Schatz ist ein Wald aus Sinterröhrchen (soda straws): hohlen, durchscheinenden Stalaktiten, die Ring um Ring aus Calcit um den Wassertropfen wachsen, der an ihrer Spitze hängt. Sie erreichen bis zu 3 Meter Länge bei einem Durchmesser von etwa 5 Millimetern, mit einer einen halben Millimeter dicken Wand. Da sie zwischen 0,09 und 0,92 Millimeter pro Jahr wachsen, könnten die längsten vor 3.200 bis 33.000 Jahren zu entstehen begonnen haben.

Dann kam eine Baustelle. Der schmale, am Fuß der Felswand hängende Fußweg, der die Besucher zur Höhle führt, musste auf etwa 100 Metern näher an die Felswand verlegt werden. Schwere Maschinen konnten die Stelle nicht erreichen, also musste der Fels mit Sprengstoff gelöst werden – wenige Dutzend Meter von den Röhrchen entfernt. Schäden an solchen Formationen lassen sich nicht rückgängig machen.

Die Tonhöhe eines Stalaktiten messen

Das Team um P. Bottelin von ADRGT, der Université Grenoble Alpes und einem örtlichen Geotechnikbüro, zusammen mit dem Unternehmen, das die Höhle betreibt und die Studie finanziert hat, begann damit, jedes Röhrchen als das zu behandeln, was es mechanisch ist: ein dünnes, an einem Ende eingespanntes Rohr. Ein solches Rohr schwingt bei einer Reihe von Eigenfrequenzen – seinen eigenen „Tönen“ –, die von seiner Länge abhängen: Je kürzer das Rohr, desto höher der Ton.

Das Team sammelte 15 abgebrochene Röhrchen, meist vom Grund des Höhlensees, und maß mit einem Laser-Vibrometer die Schwingungen von vier davon im Labor, dann die eines Röhrchens, das noch in der Höhle hing und bei dem der Wassertropfen an der Spitze den Laserstrahl reflektierte. Die Messungen stimmen mit der Lehrbuchformel für einen schwingenden Balken überein, mit einer Steifigkeit (Elastizitätsmodul) von 60 Gigapascal. Das Röhrchen in der Höhle, das niemand zum Messen erreichen konnte, klang bei 1,2 Hertz und bei 13 höheren Tönen bis 650 Hertz: Die Töne verrieten seine Länge, 1,78 Meter. Sinterröhrchen dämpfen ihre eigenen Schwingungen kaum: Einmal zum Klingen gebracht, schwingen sie weiter.

Biegeversuche an 25 Proben ergaben die Spannung, bei der ein Röhrchen bricht: zwischen 2,5 und 16,2 Megapascal. Das Team setzte eine vorsichtige Grenze von 1,25 Megapascal an, die Hälfte des schwächsten Werts.

Testsprengungen

Danach folgten kleine Testexplosionen mit bis zu 0,2 Kilogramm, aufgezeichnet von Sensoren, die an der Höhlenwand befestigt waren. Etwa 55 Meter vom Höhlensensor entfernt ließ ein 0,2-Kilogramm-Schuss den Fels eine Zehntelsekunde lang mit etwa 1 Millimeter pro Sekunde erzittern. Seine Schwingung reichte von 10 bis 500 Hertz, mit einem Maximum um 175 Hertz.

Ein Computermodell von Röhrchen zwischen 2,5 Zentimetern und 3 Metern Länge spielte dann die aufgezeichnete Erschütterung nach. Das Ergebnis widerspricht der Intuition. Die größte Spannung traf Röhrchen von etwa 15 Zentimetern Länge, deren Grundton genau bei 175 Hertz liegt: Sie schwingen in Resonanz mit der Sprengung. Röhrchen zwischen 10 Zentimetern und 1 Meter waren am stärksten exponiert; längere litten weniger, obwohl sie schwerer sind. Resonanz kann die Belastung bis auf das Fünffache steigern.

Bei Bausprengungen werden mehrere Ladungen im Abstand von einigen Dutzend Millisekunden gezündet, damit sich die Wellen nicht aufaddieren. Im Modell erhöhten zehn Ladungen im Abstand von 20 bis 30 Millisekunden die maximale Erschütterung kaum, von etwa 1 auf 1,3 Millimeter pro Sekunde, steigerten die Spannung aber um den Faktor 3,5: Der Wellenzug ist reicher an hohen Frequenzen, genau jenen, die die kurzen Röhrchen aufnehmen.

Ein Tempolimit für den Fels

Indem das Team die Erschütterung hochskalierte, bis die Spannung die vorsichtige Grenze erreichte, erhielt es einen Schwellenwert: 2,4 Millimeter pro Sekunde an der Höhlenwand für verzögerte Sprengungen, 8,6 für einen Einzelschuss. Ein Gesetz, angepasst daran, wie Schwingungen mit der Entfernung abklingen, übersetzte dies dann in die zulässige Höchstladung für jede Entfernung. Die Aushubsprengungen wurden innerhalb dieser Grenze durchgeführt, und kein Röhrchen wurde beschädigt.

Der Erdbebenfall

Das Team simulierte auch ein regionales Erdbeben: Als Ersatz für das örtliche Referenzbeben von 1962, das nie aufgezeichnet wurde, diente das Erdbeben von Barcelonnette 2014 mit der Magnitude 5,2, aufgezeichnet etwa 10 Kilometer von seinem Epizentrum entfernt. Tief unter der Erde dürfte die Erschütterung auf etwa ein Zehntel ihres Werts an der Oberfläche. Ein Erdbeben schwingt langsam, unter etwa 10 Hertz, sodass diesmal die Röhrchen von 1 bis 2 Metern Länge in Resonanz geraten. Die Spannung blieb unter der Grenze: Ein solches Ereignis würde sie wahrscheinlich nicht zerbrechen.

Die Lehre reicht über Choranche hinaus. Methoden, die das Risiko eines Stalaktiten allein aus der Spitzenbeschleunigung beurteilen und die Resonanz ignorieren, können die Gefahr erheblich unterschätzen – eine Verzerrung für Studien, die vergangene Erdbeben an zerbrochenen oder intakten Höhlenformationen ablesen. Die Studie, 2020 im Journal of Seismology veröffentlicht und jetzt auf arXiv gestellt, betrifft nur perfekt röhrenförmige Sinterröhrchen; dickere Stalaktiten, Säulen und Sintervorhänge bräuchten jeweils ein eigenes Modell.