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Neuer Schritt, um den Ursprung von Erdbeben zu verstehen

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Die Arbeit des Forschers François Passelègue zeigt, dass die Stärke und Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen hauptsächlich von den in der Tiefe auf die Felsen entlang einer Verwerfung ausgeübten Kräften abhängt. Mit seinen Labormodellen können die Bedingungen für die Auslösung von Erdbeben besser verstanden werden.

Erdbeben werden oft gar nicht oder nur schwach wahrgenommen, sind aber manchmal auch verheerend und gehören zu den grossen geologischen Ereignissen, die uns daran erinnern, dass sich unser Planet ständig verändert. In den letzten rund 50 Jahren haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die durch die Bewegung tektonischer Platten ausgelösten Erschütterungen mithilfe von mehr oder weniger überall auf der Welt angebrachten Sensoren immer besser zu verstehen gelernt. Dennoch gibt es zu viele Unbekannte, um sagen können, wie und warum sie auftreten.

François Passelègue, Forscher an dem zur EPFL-Fakultät ENAC gehörenden Experimentallabor für Felsmechanik untersucht seit zehn Jahren Bruchbewegungen entlang der Verwerfungslinien. Dabei handelt es sich um Zonen zwischen zwei tektonischen Platten, wo die allermeisten Erdbeben vorkommen. In einem am 12. Oktober 2020 in der renommierten Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikel stellt er seine neusten Entdeckungen vor und bietet ein besseres Verständnis der Bruchmechanismen entlang der Verwerfungslinien mit den entsprechenden seismischen Rutschungen.

«Wir wissen, dass die Bruchgeschwindigkeit in der Natur ausgehend von der exponentiellen Zunahme der Rutschung von einem Millimeter bis zu einem Kilometer pro Sekunde schwanken kann, und wir verstehen nicht, warum bestimmte Brüche sehr langsam und andere sehr schnell vonstatten gehen. Dies ist wichtig, denn je schneller der Bruch, desto kürzer der Zeitraum, in dem die entlang der Verwerfungslinie aufgestaute Energie abgegeben wird», erklärt François Passelègue.

Langsame und schnelle Erdbeben können die gleiche Energiemenge freisetzen. Im ersten Fall wird sie einfach über einen sehr langen Zeitraum freigesetzt, sodass das Umfeld die Stosswellen auffangen kann. Dabei handelt es sich um langsame Erdbeben, die genauso häufig wie normale Erdbeben, aber für den Menschen nicht wahrnehmbar sind. Im zweiten, selteneren Fall wird die Energie in wenigen Sekunden abgegeben, was zu sehr hochfrequenten und möglicherweise zerstörerischen Stosswellen führt.

Dies gilt insbesondere für Italien, das aufgrund seiner Lage in einem Gebiet, in dem sich zwei tektonische Platten aneinander reiben, erdbebengefährdet ist. Die meisten Erdbeben sind nicht oder nur schwach wahrnehmbar, aber bestimmte Ereignisse wie der Erdstoss vom 2. August 2016 mit 298 Opfern können tödlich sein.

«Dieselbe Verwerfung kann alle Arten von Erdbeben auslösen.»

François Passelègue hat im Labor eine experimentelle Verwerfung mit Temperatur- und Druckbedingungen wie in einer Tiefe von acht Kilometern reproduziert und Sensoren eingebaut, um herauszufinden, welche Bedingungen zu zwei Arten von Brüchen führen. «Es gab bereits viele Hypothesen. Die meisten Wissenschaftler waren der Meinung, dass es von der Gesteinsart abhängt. Kalk- oder Lehmgestein sollen eher langsame, härtere Gesteinsarten wie Granit schnellere Erdbeben auslösen.»

Der Forscher nutzte ein komplexes, mit Granit vergleichbares Gestein. Er konnte alle Arten von seismischen Aktivitäten reproduzieren. «Es hat also nicht unbedingt etwas mit den Gesteinseigenschaften zu tun. Wir können zeigen, dass dieselbe Verwerfung alle Arten von Erdbeben auslösen kann.»

François Passelègue kann aufgrund seiner Experimente sagen, dass die freigesetzte Energiemenge und die erforderliche Zeit eher von dem entlang der Verwerfung ausgeübten Druck abhängt, d. h. von der auf das System wirkenden Kraft, vor allem im Zusammenhang mit der Plattentektonik. Beim Ausüben von Druck auf das untersuchte System stellte er fest, dass der Bruch mit steigendem Druck schneller erfolgt und umgekehrt. «Was wir im Labor reproduzieren konnten, kann auch in der Natur interpretiert werden», sagt der Forscher.

François Passelègue hat eine experimentelle Verwerfung mit Temperatur- und Druckbedingungen wie in einer Tiefe von acht Kilometern reproduziert. © EPFL 2020 / Alain Herzog

«Wir dürfen nicht ausser Acht lassen, dass auch eine zurzeit harmlos aussehende Verwerfung plötzlich zu einem schnellen und gefährlichen Bruch führen kann.»

Zufälligkeit von Erdbeben hinterfragen

Neben seinen modellgestützten Beobachtungen hat der Forscher Gleichungen erstellt, bei denen zum ersten Mal der Anfangsdruck und nicht nur die reine, in der Theorie bereits bekannte, kurz vor dem Erdbeben berechenbare Energie berücksichtigt wird.

«François ist es als einem der Ersten gelungen, im Labor Bruchgeschwindigkeiten unter natürlichen Druck- und Temperaturbedingungen zu messen. Zum ersten Mal konnte er das Phänomen physikalisch im Modell darstellen und zeigen, dass alle Erdbeben den gleichen physikalischen Gesetzen folgen», sagt Laborleiterin Marie Violay.

Der Studienautor warnt jedoch, dass sein Modell nicht vorhersagen kann, wann und wo ein Erdbeben stattfinden wird, weil der Druck auf das Gestein entlang einer Verwerfung aufgrund der Bedeutung der Tiefe noch nicht in Echtzeit bestimmt werden kann. «Wir können sagen, ab welchem Druck es zum Bruch kommt, aber wir wissen nicht, wie schnell sich die Verwerfung in der Tiefe «auflädt».»

Mit seinem Artikel und den Auswirkungen seiner Forschung will François Passelègue dazu anregen, die Zufälligkeit von Erdbeben zu hinterfragen. «Die meisten Leute glauben, dass Verwerfungen, die sich über die Zeit stabil bewegen, nie grosse Erdbeben auslösen können. Wir zeigen jedoch, dass unabhängig vom Verwerfungstyp alle Arten von seismischer Aktivität möglich sind. Wir dürfen nicht ausser Acht lassen, dass auch eine zurzeit harmlos aussehende Verwerfung plötzlich zu einem schnellen und gefährlichen Bruch führen kann.

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