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Häufig nicht oder kaum wahrnehmbare, manchmal verheerende Erdbeben gehören zu den grossen geologischen Ereignissen, die uns daran erinnern, dass sich unser Planet ständig weiterentwickelt. In den letzten rund 50 Jahren ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, mithilfe von weltweit verteilten Sensoren ein besseres Verständnis dieser durch die Bewegung der tektonischen Platten hervorgerufenen Beben zu erlangen. Aber es bleibt noch viel darüber zu lernen, wie und warum sie auftreten.
François Passelègue, Forscher am Labor für experimentelle Felsmechanik (LEMR) der EPFL, untersucht seit zehn Jahren die Bruchbewegungen entlang von Verwerfungen, den Bereichen zwischen zwei tektonischen Platten, in denen die überwiegende Mehrheit der Erdbeben stattfindet. In einem Paper, das am 12. Oktober in der renommierten Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, stellt er seine neuesten Entdeckungen vor, die ein besseres Verständnis der Bruchmechanismen ermöglichen, die sich entlang von Verwerfungen ausbreiten und seismische Verschiebungen verursachen.
Ein Erdbeben setzt im Allgemeinen die gleiche Energiemenge frei, egal ob es sich langsam oder schnell bewegt. Der Unterschied besteht darin, dass seine seismischen Wellen von der umgebenden Erde absorbiert werden können, wenn es sich langsam bewegt. Solche langsamen Erdbeben sind genauso häufig wie normale Erdbeben, nur dass wir sie nicht spüren können. Bei extrem schnellen Erdbeben, die viel seltener auftreten, wird die Energie in wenigen Sekunden durch potenziell verheerende Hochfrequenzwellen freigesetzt.
Das ist es, was zum Beispiel in Italien manchmal vorkommt. Das Land befindet sich in einer Reibungszone zwischen zwei tektonischen Platten. Während die meisten seiner Erdbeben nicht (oder kaum) wahrnehmbar sind, können einige von ihnen tödlich sein - wie das Erdbeben vom 2. August 2016, bei dem 298 Menschen ums Leben kamen.
«Eine einzige Verwerfung kann alle Arten von seismischen Mechanismen demonstrieren»
In seiner Studie entwickelte Passelègue eine experimentelle Verwerfung mit den gleichen Temperatur- und Druckbedingungen wie eine tatsächliche Verwerfung in 8 km Tiefe. Er installierte Sensoren entlang der Verwerfung, um die Faktoren zu identifizieren, die eine langsame vs. schnelle Bruchausbreitung verursachen. «Es gibt bereits viele Hypothesen. Die meisten Forschenden denken, dass es mit der Art des Gesteins zusammenhängt. Sie glauben, dass Kalkstein und Ton dazu neigen, eine langsame Ausbreitung zu verursachen, während härtere Gesteine wie Granit eine schnelle Ausbreitung begünstigen.»
Im Labor verwendete der Forscher ein komplexes granitähnliches Gestein, das mit Granit vergleichbar ist. An der Verwerfung konnte er alle Arten von Seismizität reproduzieren. «Es liegt also nicht unbedingt an den Eigenschaften des Gesteins. Ein einziger Bruch kann alle Arten von seismischen Mechanismen aufweisen.»
Am LEMR reproduzierte François Passelègue eine experimentelle Verwerfung unter Temperatur- und Druckbedingungen in einer simulierten Tiefe von bis zu 8 km. © 2020 Alain Herzog
Die Experimente von François Passelègue haben gezeigt, dass die Menge der freigesetzten Energie und die Zeitdauer, über die sie freigesetzt wird, eher von der Anfangsspannung entlang der Verwerfung abhängt, d.h. von der auf die Verwerfungslinie ausgeübten Kraft, die hauptsächlich mit der Plattentektonik zusammenhängt. Indem er Kräfte unterschiedlicher Grössenordnung auf sein Modell anwendete, stellte er fest, dass höhere Spannungen schnellere Brüche und niedrigere Spannungen langsamere Brüche auslösten. «Wir glauben, dass das, was wir im Labor beobachtet haben, auch unter realen Bedingungen zutreffen würde», sagt er.
Seismische Gefährdung überdenken
Auf der Grundlage der Ergebnisse seines Modells entwickelte Passelègue Gleichungen, die zum ersten Mal die Anfangsbeanspruchung berücksichtigten, und nicht nur die akkumulierte Energiemenge, wie sie bisher in anderen Gleichungen verwendet wurde.
Passelègue warnt davor, dass sein Modell nicht verwendet werden kann, um zu bestimmen, wann und wo sich ein Erdbeben ereignen wird. Da die Verwerfungen zu tief verlaufen, sind die Forschenden immer noch nicht in der Lage, die Belastung des Gesteins entlang einer Verwerfung kontinuierlich zu messen. «Wir können sagen, bei welcher Belastung es zu einem Bruch kommt, aber wir wissen nicht, wie schnell die Verwerfung in der Tiefe 'geladen' wird und können die Bruchgeschwindigkeit nicht vorhersagen.»
Mit seinem Artikel und den Implikationen seiner Forschung will François Passelègue dazu anregen, die seismische Gefährdung neu zu überdenken. «Die meisten Menschen neigen zu der Ansicht, dass Verwerfungen, die über lange Zeit stabil waren, niemals ernsthaftes Erdbeben verursachen werden. Aber wir fanden heraus, dass jede Art von Verwerfung viele verschiedene Arten von seismischen Ereignissen auslösen kann. Das bedeutet, dass eine Verwerfung, die im Moment harmlos aussieht, plötzlich einen schnellen und gefährlichen Bruch auslösen kann.»