Verfeinertes Modell der Plattentektonik erklärt untypische Erdbeben

Stony Brook (USA) – Im November 2011 erschütterte ein Erdbeben der Stärke 5,6 den US-Bundesstaat Oklahoma. Ein ungewöhnliches und seltenes Ereignis, da der Präriestaat weitab von jeder tektonisch aktiven Plattengrenze liegt. Mit einem neuen Modell der globalen Geodynamik könnten nun zwei Geophysiker der genauen Ursache für dieses Beben auf die Spur kommen. In der Zeitschrift „Science“ berichten sie über ihre Computersimulationen, die das auf den deutschen Forscher Alfred Wegener zurückgehende Modell der Plattentektonik signifikant verbessern könnten.

Fast alle schweren Erdbeben treten heute entlang der Grenzen auf, an denen die Platten von Kontinenten und Ozeanen aneinanderstoßen. Jedoch gibt es – wie jüngst in Oklahoma – auch Beben inmitten der eigentlich geologisch sehr stabilen Erdplatten. Genau für diese haben nun Attreyee Ghosh und William Holt vom Geosciences Department der Stony Brook University eine Erklärung gefunden. Denn durch das komplexe Wechselspiel zwischen fester Erdkruste und dem darunter liegenden Erdmantel aus flüssigem Gestein können sich gefährliche Spannungen an vielen, teils überraschenden Stellen aufbauen. „Wir fanden heraus, dass die Plattentektonik ein integriertes System darstellt, dass von Dichteunterschieden von der Erdoberfläche bis hinunter zur Kern-Mantel-Grenze angetrieben wird“, sagt Ghosh.

Geodymanische Mechanismen schwerer Erdbeben in Haiti, Oklahoma und Virginia
Geodymanische Mechanismen schwerer Erdbeben in Haiti, Oklahoma und Virginia

Dazu entwickelten sie am Computer ein Erdmodell, dass die unterschiedlichen Viskositäten des geschmolzenen Gesteinsmaterials bis in eine Tiefe von zweihundert Kilometern berücksichtigte. Zusätzlich speisten sie ihr Modell mit dem Aufbau der festen Erdkruste, berücksichtigen also die Topografie mit Gebirgen, Tälern und Seen. Die Platten der Erdkruste schwimmen auf dem flüssigen Gestein und werden von diesem mal stärker, mal schwächer bewegt. Die Kräfte dazu liefert die umwälzende Dynamik sogenannter Konvektionszellen im Erdmantel, in denen ständig leichteres Material aufsteigt und schwereres absinkt. Wie stark nun eine Erdplatte bei diesem Prozess bewegt wird, hängt laut Ghosh und Holt eng mit dem Aufbau der Platte selbst zusammen.

Ihre Simulationen verglichen die beiden Forscher mit Datensätzen des GPS-Ortungssystems, dass die Bewegung der Kontinente exakt messen kann. Rund um den Globus erkannten sie eine verblüffende Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation. Zusätzlich griffen sie zur Weltkarte der Gesteinsspannungen, der World Stress Map, die wichtige Hinweise für das jeweilige Erdbebenrisiko liefert. Auch hier deckten sich die simulierten Spannungsdaten weitestgehend mit den verfügbaren Messdaten. Selbst das ungewöhnliche Beben in Oklahoma konnte über das Computermodell mit sich stetig aufbauenden Spannungen in Zusammenhang gebracht werden.

So gut dieses neue geodynamische Modell die Messungen der Kontinentaldrift und den Aufbau von Spannungen nachvollziehen kann, stößt es dennoch an seine Grenzen. So kann es beispielsweise nicht das exakte Verhalten von Subduktionszonen simulieren, in denen eine schwere ozeanische unter eine leichtere kontinentale Kruste abtaucht. Dennoch bietet es eine viel versprechende Grundlage, um in weiteren Schritten auch regional mit einer höheren Auflösung geodymanische Prozesse besser verstehen zu können.

Wie in der Forschung üblich werden sich weltweit die Fachkollegen von Ghosh und Holt sehr kritisch mit dem verfeinerten Modell auseinandersetzen. Doch das Schicksal Alfred Wegeners werden sie kaum teilen müssen. Der Polarforscher verteidigte jahrelang vehement seine These der driftenden Kontinente gegen die Mehrheit seiner Kollegen. Selbst nach seinem Tod im Jahr 1930 auf Grönland sollte es noch fast dreißig Jahre dauern, bis sich das Modell der Plattentektonik allgemein durchgesetzt hatte.