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Überschallgeschwindigkeit im Gestein

Seismologen beobachten ungewöhnlichen Richtungs- und Tempowechsel beim Bruch einer Verwerfung

Erdbeben
Die Romanche-Störung am Mittelatlantischen Rücken ist bei einem Erdbeben auf ungewöhnliche Weise gebrochen. © Universität Kiel/ Andreas Steinberg

Dynamischer als gedacht: Erdbebenwellen breiten sich nicht nur geradlinig im Gestein aus, sondern können sogar ihre Richtung umkehren – und sich auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigen. Das belegen Messungen eines unterseeischen Sensornetzwerks am Mittelatlantischen Rücken. Diese bislang nur theoretisch vorhergesagten Richtungs- und Tempowechsel können ein Erdbeben gefährlicher machen und müssen nun stärker in Vorhersagen und Modellen berücksichtigt werden, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Geoscience“.

Ob San Francisco, Tokio oder Istanbul: Einige Ballungsräume der Erde sitzen buchstäblich auf dem Schleudersitz, denn ihnen droht ein schweres Erdbeben. Umso wichtiger ist es, das Verhalten von Verwerfungen vor und während eines Bebens möglichst genau zu kennen. „Wie ein Erdbebenbruch sich im Gestein ausbreitet, beeinflusst stark die potenziell zerstörerischen Erschütterungen des Untergrunds“, erklären Stephen Hicks vom Imperial College London und seine Kollegen.

Sensornetz enthüllt Dynamik eines Seebebens

Das Problem jedoch: Viele Verwerfungen sind komplex und miteinander verwoben, so dass Seismologen die Erdbebendynamik an solchen Orten kaum aufschlüsseln können. Allerdings gibt es einige Fälle, in denen die Messwerte bereits auf ein Supershear-Ereignis hindeuteten – Brüche, die schneller fortschreiten als die von ihnen ausgelösten seitlich schwingenden Scherwellen. Dabei kommt es zu einer Wellenüberlagerung, die zu besonders verheerenden Schäden führen kann.

Wie schnell ein Bruch werden kann und welche ungewöhnliche Dynamik er entfalten kann, zeigt nun ein Seebeben am Mittelatlantischen Rücken. Im August 2016 kam es dort, am Ostende der 920 Kilometer lange Romanche-Transformzone, zu einem Beben der Magnitude 7,1. Ein unterseeisches Sensornetzwerk zeichnete dabei die Prozesse im Untergrund auf – und ermöglichte Hicks und seinem Team die genauere Analyse.

Richtungswechsel im Gestein

Die Seismometerdaten zeigten Ungewöhnliches: Nachdem sich der Bruch im Gestein zunächst mit eher langsamer Geschwindigkeit von rund einem Kilometer pro Sekunde ostwärts ausbreitete, folgte in der zweiten Phase ein abrupter Wechsel: „Anhand der Daten konnten wir erstmals beobachten, dass die Ausbreitung des Bruches einen vollständigen Richtungswechsel vollführt“, berichtet Koautorin Henriette Sudhaus von der Universität Kiel.

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Der Bruch breitete sich nun westwärts aus und beschleunigte sein Tempo. Ein solcher Richtungswechsel im Gestein wurde bislang zwar theoretisch beschrieben, aber eine eindeutige Beobachtung fehlte. Die Forscher vermuten, dass diese Umkehrungen durch besonders breite Störungszonen oder mehrere Verwerfungsäste in einer solchen Zone begünstigt werden.

Verlauf des Bruchs beim Romanche-Beben.© Universität Kiel/ Andreas Steinberg

Überschall-Kegel im Untergrund

Eine weitere Besonderheit dieses Romanche-Bebens: Nach seinem Richtungswechsel breitete sich der Riss im Gestein mit vier bis sechs Kilometer pro Sekunde aus. Damit erreichte der Bruch Supershear-Tempo und überholte die von ihm selbst erzeugten langsameren Scherwellen. Dies führte zu einer Überlagerung, bei der eine Art Überschallkegel im Untergrund entstand. Dieser „Mach-Kegel“ war in den Seismometerdaten erkennbar.

Beide Phänomene zusammen, Richtungswechsel und Überscherwellen-Tempo, bilden einen ungewöhnlichen und gefährlichen Mix, der die Zerstörungskraft eines Erdbebens deutlich erhöhen kann. Bislang jedoch wurde dies in den gängigen Modellen nicht berücksichtigt, wie Hicks und sein Team erklären. „Die Möglichkeit einer sich umkehrenden Rissausbreitung fehlt in Bruchsimulationen weitgehend und kommt auch in Risikoabschätzungen nicht vor“, so die Forscher. Umso wichtiger sei es, diese Prozesse näher zu erforschen und künftig zu berücksichtigen. (Nature Geoscience, 2020; doi: 10.1038/s41561-020-0619-9)

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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