Das Tohoku-Oki-Erdbeben der Stärke 9,0, das Japan am 11. März 2011 erschütterte, bei dem mehr als 15 000 Menschen ums Leben kamen und das einen verheerenden Tsunami auslöste, von dem sich das Land noch immer nicht erholt hat, warf viele beunruhigende Fragen auf. Zum Beispiel: Was hat ein so starkes Erdbeben möglich gemacht, und könnte es sich in Japan oder anderswo wiederholen?
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, die kilometerweit unter dem Pazifischen Ozean und in die Erdbebenverwerfung gebohrt hat, hat nun Antworten auf diese Fragen, und sie berichten über ihre Ergebnisse in einem Trio von Artikeln, die heute in Science veröffentlicht wurden.
Das Epizentrum des Bebens von 2011 lag an einem ungewöhnlichen Ort, etwa 130 Kilometer östlich von Sendai, Japan, direkt vor der Nordküste des Landes. In diesem Gebiet, einer Subduktionszone, taucht die pazifische Platte unter die eurasische Platte. Starke Erdbeben sind hier möglich, aber die Wissenschaftler hatten nicht damit gerechnet, dass die Energie ausreichen würde, um ein Beben der Stärke 7,5 zu erzeugen. Sie haben sich geirrt und wollen mehr darüber herausfinden, warum die Verwerfung ein so starkes Beben auslösen kann.
Das Epizentrum des Tohoku-Oki-Erdbebens 2011 lag vor der Ostküste Nordjapans. Image via USGS
Etwas mehr als ein Jahr nach dem Erdbeben wurde das Tiefseebohrschiff Chikyu mit der Aufgabe betraut, in die Verwerfung vor der japanischen Küste zu bohren und ein Temperaturobservatorium zu installieren. Durch die Messung der Temperatur einer Verwerfung nach einem Erdbeben können Wissenschaftler messen, wie viel Energie bei dem Beben freigesetzt wurde, und die Reibung einer Verwerfung berechnen – wie leicht die Felsen aneinander reiben.
„Eine Möglichkeit, die Reibung dieser großen Blöcke zu betrachten, ist der Vergleich mit Langlaufskiern auf Schnee“, sagte Robert Harris, ein Mitautor der Studie und Geophysiker an der Oregon State University, in einer Erklärung. „Im Ruhezustand kleben die Skier am Schnee, und es ist eine gewisse Kraft erforderlich, um sie zum Gleiten zu bringen. Sobald dies der Fall ist, erzeugt die Bewegung des Skis Wärme und es ist viel weniger Kraft erforderlich, um die Bewegung fortzusetzen. …. Das Gleiche passiert bei einem Erdbeben.“
Die Temperaturmessung war schwierig. Das Chikyu-Team musste 850 Meter tief in den Meeresboden bohren, der wiederum 6.900 Meter unter der Meeresoberfläche liegt. Sie hatten mit schlechtem Wetter zu kämpfen, und die Verwerfung selbst war immer noch in Bewegung, was die Instrumente gefährdete.
Die schwierige Arbeit hat sich jedoch gelohnt, denn sie ergab die Restwärme des Erdbebens, aus der die Wissenschaftler die Reibung der Verwerfung berechnen konnten, die sehr gering war. Fazit: „Die Tohoku-Verwerfung ist rutschiger als erwartet“, sagte Emily Brodsky, Mitautorin der Studie und Geophysikerin an der University of California, Santa Cruz, in einer weiteren Erklärung.
Die rutschige Beschaffenheit der Verwerfung hilft, einige Merkmale des Bebens von 2011 zu erklären. Die Verwerfung rutschte um beispiellose 50 Meter und der Bruch, der tief unter der Erde begann, erreichte die Oberfläche, wo er eine plötzliche Störung im Meer verursachte und den Tsunami auslöste.
Die Bohrungen und Labortests enthüllten auch eine weitere Eigenschaft der Verwerfung, die sie so gefährlich machte. Die geringe Reibung ist auf das unglaublich feine Tonsediment innerhalb der Verwerfung zurückzuführen. „Es ist der rutschigste Ton, den man sich vorstellen kann“, sagte Christie Rowe, Mitautorin der Studie und Geologin an der McGill University, in einer Erklärung. „Wenn man ihn zwischen den Fingern reibt, fühlt er sich wie ein Schmiermittel an.“ Übrigens ist der Bereich zwischen der pazifischen und der eurasischen Platte, in dem es zu einem Gleiten kommt, auch sehr dünn, weniger als fünf Meter breit, was ihn zur dünnsten bekannten Verwerfungszone auf dem Planeten machen würde.
Die Messung des thermischen Signals des Erdbebens war eine Premiere für die Wissenschaft. „Das war eine große Leistung“, sagte Harris, „aber es gibt noch viel, was wir nicht wissen.“ So wissen die Forscher beispielsweise noch nicht, wie verallgemeinerbar diese Ergebnisse für andere Subduktionszonen auf der ganzen Welt sind oder welche Auswirkungen die Dünnheit der Verwerfungszonen auf die Erdbebengefahr hat. Nichtsdestotrotz deuten die Bohrergebnisse darauf hin, dass die flache Megaschicht im Japan-Graben besondere Merkmale aufweist, die in vielen anderen Subduktionszonen nicht zu finden sind“, schreiben Kelin Wang von Natural Resources Canada und Masataka Kinoshita von der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology – der Behörde, die den Chikyu-Graben betreibt – in einem begleitenden Perspectives-Artikel.
Ähnliche Bedingungen mögen zwar selten sein, aber es gibt sie an einigen Stellen im Nordpazifik, etwa auf der Halbinsel Kamtschatka in Russland und auf den Aleuten in Alaska, bemerkt Rowe.
Tiefseebohrungen zeigen, dass diese Regionen denselben normalerweise rutschigen Ton haben, der die Reibung in der japanischen Verwerfung herabgesetzt hat.
Die Tatsache, dass die ungewöhnlichen Umstände der japanischen Verwerfung vielleicht selten sind, sollte Wissenschaftler oder die Öffentlichkeit nicht beunruhigen, sagen Wang und Kinoshita. Ein solch großes, flaches Abrutschen ist nicht notwendig, damit sich ein verheerender Tsunami bilden kann, und es war auch nicht die Ursache für den Tsunami in Chile 2010, der 370.000 Häuser zerstörte, oder für den Tsunami im Indischen Ozean 2004, der fast 230.000 Menschen tötete. „Es ist schwer zu sagen, wie verallgemeinerbar diese Ergebnisse sind, bis wir uns andere Verwerfungen ansehen“, fügte Brodsky hinzu. „Aber dies legt den Grundstein für ein besseres Verständnis von Erdbeben und letztlich für eine bessere Fähigkeit, Erdbebengefahren zu erkennen.“
Das Tohoku-Oki-Erdbeben der Stärke 9,0, das Japan am 11. März 2011 erschütterte, mehr als 15 000 Menschen tötete und einen verheerenden Tsunami auslöste, von dem sich das Land noch immer nicht erholt hat, warf viele beunruhigende Fragen auf. Wie konnte es zu einem so starken Erdbeben kommen, und könnte es sich in Japan oder anderswo wiederholen? Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, die meilenweit unter dem Pazifischen Ozean und in der Erdbebenverwerfung gebohrt hat, hat nun Antworten auf diese Fragen gefunden und veröffentlicht ihre Ergebnisse in drei Artikeln in der Zeitschrift Science. Das Epizentrum des Bebens von 2011 lag an einer ungewöhnlichen Stelle, etwa 130 Kilometer östlich von Sendai, Japan, direkt vor der Nordküste des Landes. In diesem Gebiet, einer Subduktionszone, taucht die pazifische Platte unter die eurasische Platte. Starke Erdbeben sind hier möglich, aber die Wissenschaftler hatten nicht damit gerechnet, dass die Energie ausreichen würde, um ein Beben der Stärke 7,5 zu erzeugen. Sie haben sich geirrt und wollten mehr darüber erfahren, warum die Verwerfung ein so starkes Beben auslösen kann. Das Epizentrum des Tohoku-Oki-Erdbebens 2011 lag vor der Ostküste Nordjapans. Bild via USGS Etwas mehr als ein Jahr nach dem Erdbeben wurde das Tiefseebohrschiff Chikyu mit der Aufgabe betraut, die Verwerfung vor der japanischen Küste anzubohren und ein Temperaturobservatorium zu installieren. Durch die Messung der Temperatur einer Verwerfung nach einem Erdbeben können Wissenschaftler messen, wie viel Energie bei dem Beben freigesetzt wurde, und die Reibung der Verwerfung berechnen – wie leicht die Felsen aneinander reiben. „Eine Möglichkeit, die Reibung dieser großen Blöcke zu betrachten, besteht darin, sie mit Langlaufskiern auf Schnee zu vergleichen“, sagte Robert Harris, ein Mitautor der Studie und Geophysiker an der Oregon State University, in einer Erklärung. „Im Ruhezustand kleben die Skier am Schnee, und es ist eine gewisse Kraft erforderlich, um sie zum Gleiten zu bringen. Sobald dies der Fall ist, erzeugt die Bewegung des Skis Wärme und es ist viel weniger Kraft erforderlich, um die Bewegung fortzusetzen. …. Das Gleiche passiert bei einem Erdbeben.“ Die Temperaturmessung war nicht ganz einfach. Das Chikyu-Team musste 850 Meter tief in den Meeresboden bohren, der wiederum 6.900 Meter unter der Meeresoberfläche liegt. Sie hatten mit schlechtem Wetter zu kämpfen, und die Verwerfung selbst war noch in Bewegung, was die Instrumente gefährdete. Die mühsame Arbeit hat sich jedoch gelohnt: Die Wissenschaftler konnten die Restwärme des Erdbebens feststellen und daraus die Reibung der Verwerfung berechnen, die sehr gering war. Fazit: „Die Tohoku-Verwerfung ist glatter als erwartet“, sagte Emily Brodsky, Mitautorin der Studie und Geophysikerin an der University of California, Santa Cruz, in einer weiteren Erklärung. Die rutschige Beschaffenheit der Verwerfung hilft, einige Merkmale des Bebens von 2011 zu erklären. Die Verwerfung rutschte um beispiellose 50 Meter und der Bruch, der tief unter der Erde begann, erreichte die Oberfläche, wo er eine plötzliche Störung im Meer verursachte und den Tsunami auslöste. Die Bohrungen und Labortests haben noch eine weitere Eigenschaft der Verwerfung offenbart, die sie so gefährlich macht. Die geringe Reibung ist auf das unglaublich feine Tonsediment innerhalb der Verwerfung zurückzuführen. „Es ist der rutschigste Ton, den man sich vorstellen kann“, sagte Christie Rowe, Mitautorin der Studie und Geologin an der McGill University, in einer Erklärung. „Wenn man ihn zwischen den Fingern reibt, fühlt er sich wie ein Schmiermittel an.“ Der Bereich zwischen der pazifischen und der eurasischen Platte, in dem es zu einem Gleiten kommt, ist übrigens auch sehr dünn, weniger als fünf Meter breit, was ihn zur dünnsten bekannten Verwerfungszone auf dem Planeten machen würde. Die Messung des thermischen Signals des Erdbebens war eine Premiere für die Wissenschaft. Das war eine große Leistung“, sagte Harris, „aber es gibt noch viel, was wir nicht wissen.“ So wissen die Forscher beispielsweise noch nicht, wie verallgemeinerbar diese Ergebnisse für andere Subduktionszonen auf der ganzen Welt sind oder welche Auswirkungen die Dünnheit der Verwerfungszonen auf die Erdbebengefahr hat. Dennoch deuten die Bohrergebnisse darauf hin, dass die flache Megaschicht im Japangraben besondere Merkmale aufweist, die in vielen anderen Subduktionszonen nicht zu finden sind“, schreiben Kelin Wang von Natural Resources Canada und Masataka Kinoshita von der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology – der Behörde, die den Chikyu-Graben betreibt – in einem begleitenden Artikel in Perspectives. Ähnliche Bedingungen mögen zwar selten sein, aber es gibt sie an einigen Orten im Nordpazifik, etwa auf der Halbinsel Kamtschatka in Russland und auf den Aleuten in Alaska, stellt Rowe fest: Tiefseebohrungen zeigen, dass diese Regionen denselben normalerweise rutschigen Ton haben, der die Reibung in der Japan-Verwerfung verringert hat. Aber die Tatsache, dass die ungewöhnlichen Umstände der Japan-Verwerfung selten sind, sollte weder die Wissenschaftler noch die Öffentlichkeit beunruhigen, sagen Wang und Kinoshita. Ein solch großes, flaches Abrutschen ist nicht notwendig, damit sich ein verheerender Tsunami bilden kann, und es war auch nicht die Ursache für den Tsunami in Chile 2010, der 370.000 Häuser zerstörte, oder für den Tsunami im Indischen Ozean 2004, der fast 230.000 Menschen tötete. „Es ist schwer zu sagen, wie verallgemeinerbar diese Ergebnisse sind, bis wir uns andere Verwerfungen ansehen“, fügte Brodsky hinzu. „Aber dies legt den Grundstein für ein besseres Verständnis von Erdbeben und letztlich für eine bessere Erkennung von Erdbebengefahren.“