Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Superzyklen am Plattenrand

05.05.2015

Wenn Erdplatten untereinander abtauchen oder kollidieren, bebt die Erde wie jüngst in Nepal. Forscher der ETH Zürich liefern neue Erklärungsansätze für die Entstehung von Superbeben entlang von Subduktionszonen am Beispiel der Küste Japans.

Am 11. März 2011 entlud sich vor der Küste Japans die Spannung zweier verkeilter Erdplatten unter dem Meeresboden und löste einen gewaltigen Tsunami aus.


Erdbeben vor der Ostküste Japans am 11. März 2011: Gepunktete Kreise entsprechen Vorbeben, ausgezogene Kreise Nachbeben. Der grösse Kreis entspricht der Lage des Epizentrums des Hauptbebens.

NASA Earth Observatory

Die Folge des Tohoku-Bebens: Mehr als 15’000 Tote, fast 400'000 ganz oder stark zerstörte Gebäude und das schwer beschädigte Atomkraftwerk Fukushima. Dieses «Superbeben» war möglicherweise das grösste einer Abfolge mehrerer Erdbeben und markiert das Ende eines so genannten Superzyklus, einer Abfolge mehrerer Erdbeben.

Solche Superzyklen an Subduktionszonen untersucht an der ETH Zürich ein Forschungsteam unter der Leitung von Taras Gerya, Professor für Geophysik, und Ylona van Dinther.

Als Subduktionszone bezeichnen Geologen die Grenze, an der eine tektonische Platte entlang einer Megaüberschiebung unter eine andere geschoben wird und in den Erdmantel eintaucht. Solche Zonen gibt es unter anderem vor der Küste Südamerikas, im Nordwesten der USA, vor Sumatra und eben vor Japan.

Finales Superbeben beendet Zyklus

Allerdings können Erdbeben nicht überall entlang der Megaüberschiebung entstehen, sondern lediglich in deren seismogenen Zonen. Der Grund: In diesen Zonen blockiert Reibung während langer Zeit die relative Bewegung der Platten. «Dadurch bauen sich Spannungen auf, die ein Erdbeben plötzlich abbaut», erklärt ETH-Doktorand Robert Herrendörfer.

Doch danach führt die anhaltende Plattenbewegung erneut zu Spannungen, die sich wiederum in Erdbeben entladen – ein Erdbebenzyklus entsteht. In einem Superzyklus brechen nun bei den ersten Beben zunächst nur Teile eines Abschnitts der Subduktionszone, im finalen «Superbeben» der ganze Abschnitt.

Bisher gibt es verschiedene Erklärungen für das Phänomen des «schrittweisen Bruchs». Aber sie alle gehen davon aus, dass entlang der Megaüberschiebung in einzelnen Abschnitten unterschiedliche Reibungseigenschaften herrschen. «Diese Heterogenität führt zu einer Art Flickenteppich», erklärt Herrendörfer. «Zunächst brechen Erdbeben einzelne kleinere Flicken, später bricht ein ‚Superbeben‘ mehrere Flicken gleichzeitig.»

Breite der Erdbebenzone entscheidend

In einer neuen, soeben in «Nature Geoscience» publizierten Arbeit schlägt die ETH-Forschungsgruppe um Herrendörfer aber noch einen weiteren Erklärungsansatz vor, der ohne diesen Flickenteppich auskommt. Vereinfacht lautet die These: Je breiter eine seismogene Zone ist, umso grösser ist die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von Superzyklen.

Um das zu verstehen, muss man sich zunächst die physikalischen Kräfte vor Augen führen, die in Subduktionszonen wirken. Während die eine Platte in einem bestimmten Neigungswinkel unter die andere geschoben wird, sind die Platten entlang der Megaüberschiebung teilweise miteinander gekoppelt, sodass die untere Platte die obere mit sich in die Tiefe zieht.

Diesen Prozess haben die ETH-Forscher am Computer simuliert. Dabei wird die obere Platte durch einen Keil repräsentiert wird, die untere durch eine starre Platte. Da die Platten nur innerhalb der seismogenen Zone miteinander verbunden sind, wird der Keil durch den Gegendruck deformiert und physikalische Spannungen bauen sich auf. In den angrenzenden erdbebenfreien Zonen können sich die Platten relativ zu einander bewegen.

An den Rändern der seismogenen Zone baut sich die Spannung am schnellsten auf. Wird dort die Spannung stärker als der Reibungswiderstand der Platte, entkoppelt sich der Keil und beginnt sich relativ zu der abtauchenden Platte zu bewegen. Die relative Geschwindigkeit nimmt dabei zu, der Reibungswiderstand ab. Darauf wird der Keil noch schneller. Es entsteht also eine schnelle Abfolge von Wechselwirkungen - ein Erdbeben. Das Erdbeben breitet sich aus und zwar bis zu dem Punkt, wo sich das Verhältnis zwischen Spannung und Reibungswiderstand zugunsten des Reibungswiderstandes entwickelt. Dort endet der Bruch und die beiden Platten koppeln sich wieder aneinander.

Seismogene Zone bricht nur teilweise

Robert Herrendörfer hat nun im Rahmen seiner Dissertation untersucht, wie sich die Breite der seismogenen Zonen auf diesen Prozess auswirkt. Die Modelle zeigen, dass am Anfang eines Superzyklus der Unterschied zwischen der Spannung und dem Reibungswiderstand sehr gross ist, und zwar umso grösser, je breiter die seismogene Zone ist. «Das hat zur Folge, dass die ersten Erdbeben in diesem Gebiet die seismogene Zone nur teilweise brechen», erklärt Herrendörfer. In schmaleren Zonen kann bereits ein einzelnes Erdbeben die gesamt Zone durchbrechen. In breiteren Zonen ab rund 120 km entlädt sich die Spannung in mehreren Erdbeben und zuletzt im Super-Erdbeben.

Diese Erklärung wird durch empirische Daten gestützt: «Superzyklen wurden bisher nur in den Subduktionszonen beobachtet, deren seismogene Zone breiter als der Durchschnitt von rund 110 km ist», erklärt Herrendörfer. Auf der Basis ihrer Untersuchungen haben die ETH-Forscher nebst den bisher bekannten Gebieten weitere Regionen definiert, die von Superzyklen betroffen sein könnten – nämlich die Subduktionszonen vor Kamtschatka, den Antillen, Alaska und Java.

Modell dient nicht der Vorhersage

Allerdings warnt der Forscher vor verfrühten Rückschlüssen: «Unsere theoretischen Modelle lassen den Vergleich mit der Natur nur eingeschränkt zu und sind nicht für die Erdbebenvorhersage geeignet», betont Herrendörfer. «Mit unserer Arbeit wollen wir das Verständnis von den physikalischen Prozessen während eines Erdbebenzyklus erweitern. Und dies könnte in Zukunft für die langzeitliche Gefahreneinschätzung von Erdbeben genutzt werden.» Die Methode kann auch für kontinentale Kollisionszonen angewendet werden, wie zum Beispiel den Himalaja, wo vor kurzem das verheerende Beben in Nepal aufgetreten ist.

Literaturhinweis

Herrendörfer R, van Dinther Y, Gerya T, Dalguer LA. Earthquake supercycle in subduction zones controlled by the width of the seismogenic zone. Nature Geoscience, Online-Publikation 4. Mai 2015. DOI 10.1038/ngeo2427

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/05/superzykle...

Peter Rüegg | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Was ist krebserregend am Erionit?
13.01.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Drohnen im Einsatz für die Korallenriffforschung
10.01.2017 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit erste Solarstraße in Frankreich eingeweiht

16.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie