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 Polarstern ab heute unterwegs nach Spitzbergen, um Rolle der Wolken bei Erwärmung der Arktis zu untersuchen
24.05.2017 | Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V. (TROPOS)

nachricht Unterschiedliche Erwärmung von Arktis und Antarktis: Forscher sieht Höhenunterschied als Ursache
18.05.2017 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten