Laut einer neuen Studie, die am 19. November in Science Advances veröffentlicht wurde, können sich Brüche, die durch langsame Erdbeben verursacht wurden, tief in der Erdkruste innerhalb weniger Stunden heilen. Dieser bemerkenswerte Selbstreparaturmechanismus findet unter extremen Hitze- und Druckbedingungen tief unter tektonischen Platten statt. Die Studie liefert entscheidende Einblicke in das Verhalten von Verwerfungen und hat Auswirkungen auf das Verständnis sowohl von Slow-Slip-Ereignissen als auch des Potenzials für größere, zerstörerischere Erdbeben.
Stille Erdbeben und schnelle Bruchreparatur
Geologen wissen seit langem von „stillen“ Erdbeben – langsamen Erdrutschereignissen, bei denen sich der Boden über Wochen oder Monate hinweg verformt, anstatt innerhalb von Sekunden heftig zu brechen. Im Gegensatz zu typischen Beben erzeugen diese keine starken seismischen Wellen, wodurch sie weniger unmittelbar gefährlich sind. Sie ereignen sich jedoch an den gleichen großen Verwerfungssystemen wie große Erdbeben, was Forscher zu der Frage veranlasst, warum manche Bereiche langsam abrutschen, während andere plötzlich abbrechen.
Der Schlüssel liegt laut Hauptautorin Amanda Thomas von der UC Davis in den physikalischen Bedingungen: Fehlerhaftes Reibungsverhalten und effektiver Stress. „Entscheidend dafür, ob der Fehler langsam oder plötzlich rutscht, ist das Fehlerreibungsverhalten und die effektive Beanspruchung des Fehlers.“ Langsame Ausrutscher passieren tiefer, wo die Temperaturen hoch und reichlich Flüssigkeit vorhanden sind.
Die Cascadia-Subduktionszone: Ein natürliches Labor
Die Forschung konzentrierte sich auf die Cascadia-Subduktionszone, eine Region, in der die Juan-de-Fuca-Platte unter Nordamerika gleitet. Dieser „Megafehler“ kann Erdbeben der Stärke 8–9 hervorrufen, es kommt jedoch auch häufig zu Slow-Slip-Ereignissen. Cascadia ist einzigartig, weil sein umfangreiches Überwachungsnetzwerk es Wissenschaftlern ermöglicht, diese Phänomene im Detail zu untersuchen.
Die Studie ergab, dass bestimmte Bereiche der Cascadia-Verwerfung innerhalb desselben langsamen Schlupfzyklus wiederholt brechen und sich dann wieder verschließen. Diese schnelle Reaktivierung deutet darauf hin, dass sich schnell Stress aufbaut, aber auch, dass das Fehlermaterial zwischen den Brüchen irgendwie „heilen“ kann. Das Forschungsteam versuchte, dieses rätselhafte Verhalten zu erklären.
Laborsimulationen stellen die Bedingungen im tiefen Erdreich nach
Um dies zu untersuchen, haben Forscher die extreme Umgebung der Subduktionszone in einer Laborumgebung nachgebildet. Eine Silberkapsel wurde mit Quarzpulver und Wasser beladen und dann Temperaturen von 500 °C und Drücken ausgesetzt, die 10.000 Mal höher als der Atmosphärendruck waren. Elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben, dass die Quarzkörner bereits nach wenigen Stunden miteinander verschmolzen waren.
„Die Fehlerheilung hängt stark von der Temperatur, dem Druck und dem Vorhandensein von Flüssigkeiten ab“, erklärte Thomas. Die Experimente bewiesen unter diesen Bedingungen eine messbare Verstärkung innerhalb von Stunden. Dies steht in krassem Gegensatz zu flacheren Krustenbrüchen, deren Heilung Jahre bis Jahrzehnte dauert.
Gezeiteneinfluss und schnelle Stressumladung
Die Studie deckte auch einen Zusammenhang zwischen dem schnellen Heilungsprozess und den Gezeiten der Ozeane auf. In der Cascadia-Verwerfung kommt es zu Ausbrüchen niederfrequenter Erdbeben, die mit den Gezeitenzyklen übereinstimmen. Dies deutet darauf hin, dass Druckänderungen durch die Gezeiten nur wenige Stunden nach der Reparatur der Verwerfung erneute Brüche auslösen können.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich tiefe Verwerfungen in Cascadia schnell genug verstärken können, um innerhalb eines einzigen langsamen Schlupfzyklus wiederholt beansprucht und reaktiviert zu werden. Dieses Verständnis ist entscheidend für die genaue Modellierung des Fehlerverhaltens und die Interpretation seismischer Daten.
Auswirkungen auf das Erdbebenrisiko
Die Fehlerheilung ist nicht auf tiefe Subduktionszonen beschränkt; es kommt auch, wenn auch langsamer, in flacheren Regionen vor, in denen schwere Erdbeben entstehen. Die Forscher argumentieren, dass die Einbeziehung von Reparaturprozessen in künftige Erdbebenmodelle die Risikobewertung verbessern werde. Zu verstehen, wie schnell sich Verwerfungen wieder verstärken können, könnte die Vorhersagen darüber verfeinern, wo und wann das nächste große Beben zuschlagen wird.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass derselbe grundlegende Prozess in der gesamten Erdkruste ablaufen kann, die Zeitskalen ändern sich jedoch je nach Umgebung.“ — Amanda Thomas, UC Davis
