Niedrige Spannungen können zu Starkbeben führen

Mit einer Rekordmagnitude von 9,0 erschütterte 2011 das Tohoku-Beben Japan und war Ursache für den katastrophalen Tsunami, der das Kernkraftwerk in Fukushima zerstörte. Die beim Hauptbeben freigesetzte Energie entsprach nach Schätzungen des United States Geological Survey (USGS) etwa 10 000 Gigatonnen des Sprengstoffs Trinitrotoluol (TNT) oder 780 Millionen Hiroshima-Bomben.

Schaubild der Erdschichten, das die Verschiebung von Platten zeigt.
Entstehung von Erdbeben

Verantwortlich für derartige Starkbeben, die auch an der Pazifikküste Südamerikas, vor Neuseeland oder in Indonesien auftreten können, sind ozeanische Platten, die unter die jeweils angrenzenden Kontinentalplatten abtauchen. Diese sogenannten Subduktionszonen untersuchte nun die Geophysikerin Jeanne Hardebeck genauer und kam zu einem überraschenden Ergebnis. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichtet, müssen sich für diese Starkbeben deutlich weniger hohe Spannungen im Untergrund aufbauen als bisher angenommen.

„Sogar in Bruchzonen mit schwachen Reibungskräften können genug Spannungen für ein schweres Erdbeben aufgebaut werden“, sagt Hardebeck von der United States Geological Survey in den USA. Diese Annahme gründet sie auf der detaillierten Analyse von zahlreichen schwächeren Beben in direkter Umgebung der wenigen Starkbeben. Besonders beachtete sie dabei die Erdbeben, die oberhalb der unter einem Winkel zwischen 10 und 50 Grad abtauchenden ozeanischen Platten auftraten. Die Dynamik dieser Beben zeigte die Orientierung der vorherrschenden Spannungszonen. Und just diese Orientierung gab Hinweise darauf, dass sich dort eher geringe Spannungen zwischen weicheren Gesteinsmassen aufgebaut hatten.

So legt Hardebecks Analyse nahe, dass auch den Starkbeben nur relativ geringe Spannungen von einigen dutzend Megapascal vorausgingen. Bisherige Theorien, die vor allem auf Laborversuchen mit ineinander verkeilten Gesteinen beruhten, ließen eher Spannungen von einigen hundert Megapascal vermuten. Ein weiteres Indiz sah Hardebeck in den bis zu mehreren hundert Kilometer langen Bruchzonen der Starkbeben. Diese könnten sich nur in relativ weichem Gestein bilden. Denn festeres Gestein – ineinander unter hohen Spannungen verkeilt – hätte die rasche Ausbreitung der Brüche stoppen müssen.

Damit stellt Hardebecks Analyse die Annahme in Frage, dass starke Beben besonders hohe Spannungen im Untergrund voraussetzen. Doch auch rein rechnerisch reichen Spannungen von einigen dutzend Megapascal aus, um Starkbeben mit Magnituden ab 9,0 verursachen zu können. Direkte Messungen in den Subduktionszonen könnten belegen, welches Modell die Genese von Starkbeben am besten beschreibt. Doch dazu wären aufwendige und teure Bohrungen bis in etwa 20 Kilometer Tiefe nötig.