Beschleunigt sich die Subduktion der tektonischen Platten vor großen Erdbeben?

GNSS-Stationen in Japan und Chile lieferten präzise Daten, um Bodenbewegungen vor den großen Beben zu messen. Quelle: Bedford et al. 2020, Nature

Vor dem Ereignis mit dem Fukushima-Tsunami als Folge hatte sich die Bewegungsrichtung der Erdkuste sogar kurzzeitig umgekehrt

Die Bewegungsrichtung der Erdkruste in Japan und Chile hat sich vor zwei der größten Beben der Neuzeit weltweit kurzfristig umgekehrt. Dies ist das Ergebnis einer neuen Studie unter der Leitung von Jonathan Bedford vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ zusammen mit internationalen Wissenschaftlern. Das Team analysierte die Bewegung von GNSS-Stationen vor dem großen Maule-Beben 2010 (Magnitude 8,8) und dem Tohoku-oki-Erdbeben 2011 (Magnitude 9,0), das zu einem verheerenden Tsunami und der Kernschmelze von Fukushima führte. Die Ergebnisse wurden im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) vermessen unter anderem die Lage von fest installierten Bodenstationen hochpräzise.

Mit modernsten geodätischen Analysen beobachtete das Team einen rund 1000 km großen Bereich der Erdoberfläche nahe der Plattengrenze, der sich über einen Zeitraum von mehreren Monaten vor dem Zeitpunkt der beiden Extrembeben auffällig bewegte.

Beide Beben ereigneten sich am pazifischen Feuerring, wo die ozeanische Erdkruste unter die kontinentale Kruste abtaucht; der Prozess heißt Subduktion.

GNSS-Satelliten beobachten in Japan ein dichtes Netz von permanenten Stationen mit so hoher Präzision, dass die Forscher verfolgen können, wie schnell und in welche Richtung sich der Boden bewegt. In Chile ist das Netz nicht so dicht, vermisst aber immer noch den größten Teil der sich verformenden Kontinentalplatte.

Normalerweise entfernen sich die Stationen an Land immer ein wenig vom Subduktionsgraben weg, da die Kontinentalkruste zusammengedrückt und damit verkürzt wird.

Bei der Untersuchung der Zeitreihe der GNSS-Signale fanden die Forscher jedoch eine Richtungsumkehr: Plötzlich bewegten sich die Stationen in Richtung Subduktionsgraben, also in Richtung offener Ozean, und kehrten später ihre Richtung wieder in ihre normale Bewegung um.

Sehr kurz nach dieser zweiten Umkehrung kam es zum Bruch im Untergrund mit den gewaltigen Erdbeben.

Mit Hilfe einfacher Modelle und anhand sehr gut erforschter geologischer Randbedingungen schlagen die Autoren vor, dass diese Umkehrungen Perioden einer verstärkten Zugkraft anzeigten, hervorgerufen durch rasche Veränderungen der Zusammensetzung der ozeanischen Platte während ihrer Subduktion: Das abtauchende Ende der Platte wird stark verdichtet und somit schwerer. Die Folge ist, dass diese Perioden verstärkter Zugkraft in der Tiefe den unvermeidlichen Bruch an den höher gelegenen, miteinander verhakten Segmenten der Subduktionszone beschleunigt haben.

Die normale Bewegung von tektonischen Platten in der Erdkuste, rechts: Subduktion unter eine Kontinentalplatte. Grafik: Jose F. Vigil. USGS / <a href="https://commons.wikimedia.org/"target="_blank">Wikimedia Commons</a>

Jonathan Bedford erklärt: „Es ist eine weit verbreitete Annahme, dass die tiefere Subduktion in der Zeit zwischen großen Erdbeben mit einer ziemlich konstanten Geschwindigkeit abläuft. Unsere Studie zeigt, dass diese Annahme zu einfach ist. Tatsächlich könnte ihre Variabilität ein Schlüsselfaktor für das Verständnis der Auslöser von schwersten Erdbeben sein.“

Ob es vor dem nächsten großen Beben zu solch starken Umkehrungen kommen wird, bleibt abzuwarten, aber aus dieser Studie geht klar hervor, dass die Subduktionszonen auf der beobachtbaren Zeitskala viel dynamischer sind als bisher angenommen.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Nature

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(12.05.2020)