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Im Juli 2024 stellte ein starkes Erdbeben mit Zentrum unter Calama im Norden Chiles etablierte Vorstellungen darüber in Frage, wie sich Erdbeben in großer Tiefe verhalten. Neue Forschungsergebnisse unter Leitung von Wissenschaftlern der University of Texas at Austin identifizieren eine verborgene Abfolge von Prozessen innerhalb der subduzierenden Platte, die die Bodenschwingungen an der Oberfläche deutlich verstärkten. Diese Erkenntnisse verändern die Art und Weise, wie Seismologen über Erdbeben mittlerer Tiefe (intermediate-depth earthquakes) nachdenken, und könnten die Einschätzung seismischer Gefahren in Subduktionszonen weltweit beeinflussen.
Die Forscher, die das ungewöhnliche Calama-Erdbeben von 2024 untersuchten, deckten einen tief im abtauchenden Mantel liegenden Prozess auf, der es der Ruptur erlaubte, sich weit stärker zu entwickeln, als es für diese Tiefe erwartet worden wäre. Die Ergebnisse weisen auf wenig beachtete thermische und mechanische Kräfte hin, die die Bewertung künftiger seismischer Gefährdungen in Subduktionszonen neu prägen könnten. Für die Seismologie, die Gefährdungsanalyse (Seismic Hazard Analysis) und die Katastrophenvorsorge sind die Konsequenzen signifikant, weil sie zeigen, dass die einfache Zuordnung von Tiefe zu Intensität nicht immer zutreffend ist.
Ein Bruch, der die Regeln brach
Die zerstörerischsten Erdbeben — wie das Megathrust-Erdbeben von 1960 mit Magnitude 9,5 vor der Küste Zentralchiles — entstehen zumeist in relativ geringen Tiefen nahe der Oberkante von Subduktionsverwerfungen. Dagegen begann das Calama-Ereignis in etwa 125 Kilometern Tiefe innerhalb der abtauchenden ozeanischen Platte. Erdbeben dieser mittleren Tiefe erzeugen gewöhnlich schwächere Oberflächenschwingungen als flache Brüche. Das Calama-Beben der Magnitude 7,4 passte jedoch nicht zu diesem üblichen Muster: die Intensität und das Schadensbild an der Oberfläche waren deutlich größer als von einem Erdbeben auf 125 km Tiefe erwartet.
Erstautor Zhe Jia und sein Team analysierten seismische Wellenformen, GPS- (GNSS-) abgeleitete Bodendeformationen und numerische Modelle, um die Ruptur mit einer Detailliertheit zu rekonstruieren, die zuvor nicht möglich war. Statt eines einzelnen, einfachen Versagens, das durch einen Mechanismus verursacht wird, deutet die Rupturfolge bei Calama darauf hin, dass sich der Mechanismus während der Ausbreitung änderte: von der klassischen Dehydrationsversprödung (dehydration embrittlement) hin zu einem Regime, das von intensiver reibungsbedingter Erhitzung dominiert wird — einem sogenannten thermischen Durchgehen (thermal runaway).
Zwei Mechanismen, ein starkes Erdbeben
Die Dehydrationsversprödung ist eine weitgehend akzeptierte Erklärung für viele Erdbeben mittlerer Tiefe. Beim Absinken der Platte werden hydratisierte Minerale unter steigendem Druck und Temperatur instabil; gebundenes Wasser wird freigesetzt. Dieses freigesetzte Wasser erhöht lokal den Porenflüssigkeitsdruck, reduziert die effektive Scherfestigkeit des Gesteins und begünstigt sprödes Versagen auch bei hohen Gesamtdrücken. In thermischer Hinsicht endet dieser Prozess normalerweise in Bereichen, in denen die Temperatur über etwa 650 °C ansteigt, weil die Mineralphasen dann instabil werden oder andere Schwächungsmechanismen dominieren.
Was das Calama-Ereignis ungewöhnlich machte, war die Tatsache, dass die Ruptur nicht an diesem erwarteten thermischen Limit zum Stehen kam. Vielmehr setzte sie sich über weitere rund 50 Kilometer in heißere Zonen fort, in denen Dehydrationsversprödung allein nicht mehr als treibender Mechanismus gelten sollte. Die UT Austin-Forscher argumentieren, dass die initiale Bruchfront an ihrer Spitze intensive reibungsbedingte Erwärmung erzeugte. Diese lokal erhöhte Temperatur verringerte die Gesteinsfestigkeit vorübergehend und löste ein thermisches Durchgehen aus: ein positiver Rückkopplungsprozess, bei dem Gleiten Wärme produziert, Wärme das Gestein schwächt, und die geschwächte Zone wiederum schnelleres Gleiten und noch mehr Wärme ermöglicht.
Die Kombination der beiden Mechanismen — erst Dehydrationsversprödung, dann thermisch getriebene Schwächung — erklärt, wie eine mitteltiefe Ruptur außergewöhnlich starke Oberflächenerschütterungen erzeugte. Dabei sind sowohl das Tempo der Rupturausbreitung als auch die räumliche Variabilität der Betonung von Mineralogie und Wärmeleitung entscheidend. Die Studie betont, dass Mechanismen sich nicht notwendigerweise klar trennen; Übergangszonen in der Platte können komplexe, gekoppelte Prozesse aufweisen, die die freigesetzte Energie und das Spektrum der seismischen Wellen verändern.
Eine Abbildung aus der Studie illustriert die beiden im Paper beschriebenen Rupturmechanismen, Dehydrationsversprödung und thermisches Durchgehen, und wie sie die Kraft des Calama-Erdbebens verstärkt haben könnten. Credit: Jia et al.
Wie Wissenschaftler das Geschehen rekonstruierten
Die Rekonstruktion einer tief liegenden Ruptur erfordert die Kombination unterschiedlicher Datensätze und Methoden. Das Forscherteam vereinte hochauflösende seismische Aufzeichnungen nationaler und internationaler Netzwerke, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung der Ruptur zu verfolgen. Zusätzlich nutzten sie GNSS-Daten (Global Navigation Satellite System), darunter GPS-Stationen in Chile, um die Verschiebung am Bruch und die Krustenverformung infolge des Ereignisses zu messen. Diese geodätischen Messungen lieferten wichtige Constraints für die Gesamtmomentfreisetzung und die Verlagerung auf der Bruchfläche.
Parallel dazu wurden gekoppelte physikalisch basierte Simulationen eingesetzt, um Temperatur, Mineralzusammensetzung und reibungsbedingte Erwärmung entlang der Bruchfläche in der Tiefe abzuschätzen. Solche thermo-mechanischen Modelle integrieren Materialgesetze für Gesteinsreibung, Wärmeproduktion durch Scherarbeit, Wärmeleitung und Phasenumwandlungen in hydratisierten Mineralen. Durch iterative Anpassung zwischen Beobachtungen (Seismogramme, GNSS) und Modellausgaben gelang es, konsistente Szenarien zu identifizieren, die die empirischen Daten erklären.
Ein Team der University of Texas at Austin und der University of Chile wartet 2024 ein UTIG-Seismometer in der Nähe von Calama im Norden Chiles. UT-Promovendin Sabrina Reichert ist im Hintergrund zu sehen. Der Forscher Bertrand J. M. Potin von der University of Chile in Santiago ist im Vordergrund. Credit: Thorsten Becker/UT Austin
Diese integrierte Vorgehensweise offenbarte eine Ruptur, die beschleunigte und ungewöhnlich schnell weiterlief, als sie in einen heißeren Abschnitt der Platte eintrat — ein Befund, der mit einem Übergang von dehydration-getriebenem Versagen zu thermisch induzierter Schwächung konsistent ist. Solch ein Übergang beeinflusst sowohl die Bandbreite der erzeugten seismischen Wellen als auch die räumliche Verteilung starker Scherung entlang der Bruchfläche. Daher erklären die Modelle nachvollziehbar, warum die Bodenschüttelung an der Erdoberfläche stärker war als von einem mitteltiefen Ereignis zu erwarten gewesen wäre.
Warum die Entdeckung für die seismische Gefährdung wichtig ist
Die Konsequenz ist eindeutig: Erdbeben mittlerer Tiefe sind nicht zwangsläufig von geringer Wirkung. Wenn eine Ruptur in der Lage ist, ein thermisches Durchgehen zu aktivieren, steigt ihr Potenzial, starke Bodenbewegungen zu erzeugen, erheblich. Für Chile — eines der seismisch aktivsten Länder der Erde mit ausgedehnten Subduktionszonen — bedeutet dies, dass Gefährdungsmodelle, Frühwarnsysteme und Notfallpläne nicht nur berücksichtigen sollten, wo Erdbeben initiiert werden, sondern auch, wie sich die Bruchmechanismen in der Tiefe verändern können.
Jia sagte in der Veröffentlichung: „Diese chilenischen Ereignisse verursachen mehr Erschütterungen, als man normalerweise von Erdbeben mittlerer Tiefe erwartet, und können durchaus zerstörerisch sein.“ Er und sein Koautor Thorsten Becker betonten den praktischen Nutzen der Arbeit: verbesserte Rupturmodelle können die Resilienz kritischer Infrastruktur stärken, die Kalibrierung von Frühwarnsystemen verbessern und Prioritäten für schnelle Einsätze nach einem Erdbeben unterstützen. Die Forschung liefert konkrete Ansätze, wie man seismische Gefährdungsanalysen erweitern sollte — etwa durch die Integration von thermo-mechanischen Parametern in probabilistische Hazard-Modelle.
Expert Insight
„Der Fall Calama zeigt, wie dynamisch die Prozesse im tiefen Erdinneren sein können“, sagt Dr. Elena Márquez, Seismologin am Southern Andes Geoscience Institute. „Wir verwenden Tiefe oft als Proxy für die Gefährdung, aber der Mechanismus ist entscheidend. Wenn eine Ruptur sich selbst erwärmen und in ein thermisches Durchgehen übergehen kann, verändert sich ihr effektiver Gefährdungsfußabdruck erheblich. Diese Forschung gibt uns testbare Signaturen, nach denen wir in anderen Subduktionszonen suchen können.“
Fachleute heben hervor, dass sich die Signaturen solcher Übergänge in seismischen Momententensor-Analysen, in Frequenzinhalten der Wellenform (z. B. verstärkte hochfrequente Energien) und in plötzlichen Änderungen der Rupturgeschwindigkeit zeigen können. Solche Messgrößen lassen sich mit dichten seismischen Netzwerken und GNSS-Stationen detektieren – vorausgesetzt die Monitoring-Infrastruktur ist ausreichend dicht und die Datenverarbeitung robust.
Breitere Implikationen und nächste Schritte
Die neue Studie wirft eine Reihe von wissenschaftlichen Fragen auf, die in Folgeprojekten verfolgt werden müssen. Wie häufig sind Mechanismusübergänge wie jener, der aus Calama abgeleitet wurde? Welche Zusammensetzungen der subduzierenden Platte (z. B. Gehalte an wasserhaltigen Mineralen wie Glaukophan oder Serpentinit), thermische Profile oder Spannungszustände begünstigen thermisches Durchgehen? Welche Rolle spielen Fluidmigration, lokale Heterogenitäten oder vorbestehende Schwächezonen auf die Wahrscheinlichkeit eines solchen Übergangs?
Um diese Fragen zu beantworten, sind mehrere Maßnahmen erforderlich: dichtere seismische und GNSS-Überwachung in Subduktionszonen, Laboruntersuchungen zur Reibung von Gesteinen bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen (um Materialgesetze realistischer zu kalibrieren), sowie verbesserte thermo-mechanische Ruptur-Simulationen, die Mehrphaseneffekte, Porendruckdynamik und instationäre Wärmeproduktion berücksichtigen. Interdisziplinäre Feldkampagnen könnten zudem kostbare Proben und geophysikalische Messreihen liefern, um Modellannahmen zu überprüfen.
Für Entscheidungsträger und Ingenieure lautet die wichtigste Botschaft: Seismische Gefährdungsabschätzungen sollten ein breiteres Spektrum an Rupturphysik einbeziehen. Konkret bedeutet das, Bauvorschriften und Notfallpläne in Regionen mit potenziellen Erdbeben mittlerer Tiefe zu prüfen und gegebenenfalls zu aktualisieren. Auch die Erweiterung der Überwachungsnetze in Regionen, in denen subduzierende Platten hydratisierte Minerale und steile thermische Gradienten tragen, ist ein praktischer Schritt zur Reduktion von Unsicherheit.
Stellen Sie sich eine künftige seismische Karte vor, die nicht nur angibt, wo Erdbeben beginnen, sondern auch, wo sich eine Ruptur zu einem gefährlicheren Zustand entwickeln könnte — basierend auf Parametern wie Plattenzusammensetzung, Temperaturprofilen und Spannungsfeldern. Das Calama-Erdbeben erinnert uns daran, dass Prozesse im tiefen Erdinneren uns überraschen können, und dass die beste Verteidigung bessere Wissenschaft, dichte Überwachung und gezielte Vorsorge ist.
Quelle: scitechdaily
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