Signale aus der Tiefe

Kieler Geophysiker versuchen, neuartige seismologische Signale in Costa Rica aufzuspüren. Diese bieten einen neuen Ansatzpunkt, Erdbeben und die Deformationen der Erdkruste zu verstehen.

Alles, was man sich als Laie unter einem Erdbeben vorstellt, trifft auf diese neu entdeckten Ausschläge der Seismometer nicht zu. Sie sind nicht als Beben der Erde zu spüren, sie führen nicht zum Einsturz von Gebäuden, und sie reißen nicht die Erde auf. Trotzdem betrachten Experten sie als die wichtigste Entdeckung aus dem Bereich der Seismologie (Wissenschaft von Erdbeben) der letzten Jahre.

»Diese Signale sind nicht impulsartig«, erklärt Professor Wolfgang Rabbel vom Institut für Geowissenschaften. »Es handelt sich um ein Bodenzittern, das ganz dezent beginnt, sich dann langsam aufbaut und ebenso lang­sam wieder nachlässt.« Mit den bisher üblichen seismo­logischen Messverfahren lassen sich die Signale nicht aufspüren. Hierfür braucht es besonders geräuscharme Standorte und spezielle Auswertungs­algorithmen.

»Dennoch glaubt man«, so Rabbel, »dass die Ursache dieser Zitterbewegung eine Art Erdbeben ist, das aber nicht abrupt stattfindet.« Es wird daher auch als »silent earthquake« (stilles Erdbeben) bezeichnet. In der Forschung biete es ganz neue Ansatzpunkte, der Entstehung von Erdbeben auf den Grund zu gehen. Ob es für das Auslösen größerer Erdbeben von Bedeutung ist, sei noch nicht bekannt.

Entdeckt wurde dieses Zittern, das auch Tremor genannt wird, zuerst in Japan, und zwar mit Seismometern, die in 100 bis 1000 Meter Tiefe installiert wurden. In dieser Tiefe herrscht sehr wenig Umgebungslärm, der die Registrierung stört. Rabbel: »Diese Signale existierten früher auch schon. Man hat sie nur nicht erkannt als etwas, das in irgendeiner Form mit Erdbeben­prozessen zu tun haben könnte.« Diesen Schluss zogen die japanischen Wissenschaftler erst, als sie durch Messungen an verschiedenen Standorten feststellten, dass die Signale in 30 Kilometer Tiefe entstehen und langsam wandern.

In der Folge dieser Entdeckung wurden auch an der nordamerikanischen Westküste (Vancouver Island, Kanada) und in Kalifornien diese Tremore identifiziert. Die kanadischen Forscher haben darüber hinaus die Verformung der Erdoberfläche mit einem Netz kontinuierlich messender GPS-Geräte erfasst. Ihre Beobachtung: »Die Erdoberfläche wird über eine längere Zeit gestaucht und dann innerhalb weniger Tage entlastet. Diese Verformungszyklen wiederholen sich und korrelieren zeitlich mit Phasen, in denen besonders viele Tremor-Signale auftreten«, so Rabbel. Es kommt insgesamt zu einer Verschiebung nach Osten, einer Art Kriechbewegung der Erde, ähnlich der Fortbewegung einer Raupe oder eines Regenwurms, nur sehr viel langsamer. Die Verschiebung schreitet mit etwa einem Zentimeter pro Jahr voran.

Als Ursache für die »stillen Erdbeben« vermutet man, dass Wasser aus dem Kristallgitter der Gesteine bei bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen austritt. Die Anwesenheit von Wasser kann ein Erdbeben auslösen. »Wenn in ein Gestein, das unter Spannung steht, plötzlich Wasser eindringt, dann kann ein Erdbeben auftreten. Man geht davon aus, dass die Tremore viele kleine Erdbeben sind, die immer dann entstehen, wenn Wasser aus den Kristallen ins Gestein heraustritt«, erklärt der Geophysiker Dr. Martin Thorwart. Durch das Wasser werden der Porendruck und die Kornkontakte im Gestein so verändert, dass es der Spannung nachgeben und brechen kann. Direkt in der Tiefe nachweisen kann man diesen Prozess aber nicht, man kann nur Hinweise darauf finden.

Geowissenschaftler gehen davon aus, dass die beobachteten Prozesse an Subduktionszonen gebunden sind. Subduktionszonen sind Gebiete, in denen Platten der Erdkruste und des oberen Erdmantels aufeinander stoßen. An diesen Plattengrenzen, auch aktive Kontinentalränder genannt, treten weltweit die meisten und stärksten Erdbeben auf. Erdbeben entstehen, wenn sich die Platten beim Verschieben verhaken und die Verhakungszone unter der mit der Zeit steigenden Belastung bricht. Der Vulkan- und Erdbebengürtel rund um den Pazifik, auch »ring of fire« genannt, hat seine Ursache in einem Ring von Subduktionszonen. Kalifornien und Vancouver Island liegen am »Feuerring« genauso wie Costa Rica, wo Kieler Geophysiker im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 574 (Volatile und Fluide in Subduktionszonen) ein Forschungsprojekt gestartet haben. Eines der Ziele ist, auch dort »stille Erdbeben« nachzuweisen und ihrer Entstehung auf den Grund zu gehen.

Die messtechnischen Voraussetzungen sind bereits ge­schaffen. Thorwart: »Im März haben wir an sechs Standorten Seismometer in einer Tiefe von 100 Metern installiert.« Voraussichtlich im Herbst wird eine amerikanische Arbeits­gruppe, mit der die Kieler Wissenschaftler kooperieren, GPS-Geräte in der Region aufbauen, so dass auch eine Verformung der Oberfläche registriert werden kann. Costa Rica eignet sich als Untersuchungsort sehr gut, da die ozeanische Platte, die sich unter den Kontinent schiebt, in Aufbau und Struktur sehr heterogen ist: Es gibt einen bergigen Abschnitt, Vulkane in einem anderen und einen relativ glatten Bereich mit großen Rissen.

Rabbel: »Man glaubt, dass die Unterschiede im Vulkanismus an Land mit den Unterschieden in der subduzierten ozeanischen Platte zusammenhängen.« Durch die Beobachtung einer Vielzahl von geowissenschaftlichen Phänomenen an Land und durch Kenntnis von Struktur und Aufbau der ›dazugehörigen‹ ozeanischen Platte können Rückschlüsse auf die Prozesse des Vulkanismus und der Erdbeben gezogen werden.

Die Kieler Wissenschaftler haben die Seismometer in der Region Costa Ricas installiert, die durch die glatte, aber rissige ozeanische Platte geprägt wird. »Dort haben wir mit hoher Wahrscheinlichkeit einen sehr starken Einfluss von Wasser, das infolge der Rissbildung in die Platte eingesickert ist und in die Kristalle eingelagert wurde«, so Rabbel. Wenn die Hypothese über die stillen Erdbeben zutrifft, dann sollten diese hier, wo am ehesten Wasser ins Kristallgitter eingebaut worden ist, zu finden sein, in anderen Gebieten Costa Ricas hingegen nicht. (ne)

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