Die Bewegung zwischen kontinentaler und ozeanischer Platte am Meeresgrund, sogenannte Megathrust-Erdbeben, erzeugt die stärksten Erschütterungen und die gefährlichsten Tsunamis. Wie und wann sie entstehen, ist jedoch bisher kaum verstanden, da der Meeresboden für Messungen nur schwer zugänglich ist.
Dank neuer Technologien gelang es einem internationalen Forscherteam, an dem auch Prof. James Foster vom Institut für Geodäsie der Universität Stuttgart beteiligt war, erstmals zentimetergenaue Messungen in einem Unterwasser-Erdbebengebiet durchzuführen Alaska. Über ihre Ergebnisse berichteten die Forscher im Fachjournal Wissenschaftliche Fortschritte.
Das Chignik-Erdbeben am 28. Juli 2021 ereignete sich 32 km unter dem Meeresboden vor der Küste Alaskas und war mit einer Stärke von 8,2 das siebtstärkste Erdbeben in der Geschichte der USA. Dies geschah, weil die ozeanische Pazifische Platte an der kontinentalen Nordamerikanischen Platte vorbeigleitet und dadurch einen enormen Schub verursacht.
In der dünn besiedelten Region hielten sich die durch das Beben verursachten Schäden in Grenzen. Generell haben solche Megathrust-Erdbeben jedoch ein enormes Zerstörungspotenzial in der sogenannten Subduktionszone, also der Zone, in der ozeanische und kontinentale tektonische Platten aufeinandertreffen. Insbesondere können Tsunamiwellen erzeugt werden. Diese sind an ihrem Entstehungsort nicht sehr hoch, können aber Stunden später und viele 100 oder 1000 Kilometer entfernt als katastrophale Tsunamis die Küsten treffen und viele Menschenleben gefährden.
Trotz des Ausmaßes dieser Naturgefahren sind die relevanten physikalischen Prozesse bei Megathrust-Erdbeben noch immer nur begrenzt verstanden. Daher ist es schwierig, die räumlich-zeitliche Entwicklung gekoppelter Erdbeben- und Tsunamigefahren in Subduktionszonen abzuschätzen.
Um die Wahrscheinlichkeit, dass ein Beben einen Tsunami auslöst, besser vorhersagen zu können, untersuchte das Forscherteam um Benjamin Brooks vom United States Geological Survey kurz vor und rund 2,5 Monate nach dem Chignik-Beben den Meeresboden vor Alaska mithilfe eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS), ein akustisches Positionierungssystem und ein Roboterschiff.
Autonome Wellengleiter ermöglichen Messungen auf den Zentimeter genau
Eine Schlüsselrolle im Projekt spielten autonome Schiffe, die auf der Wasseroberfläche operieren. Diese sogenannten Wellengleiter, an deren Entwicklung auch Prof. James Foster vom Institut für Geodäsie der Universität Stuttgart beteiligt war, sind sowohl mit GNSS- als auch mit akustischen Messgeräten ausgestattet.
Die moderne Technik ermöglichte eine zentimetergenaue Messung der Bewegungen in den Subduktionszonen und damit ein genaues Bild der komplizierten Gleitprozesse und Störungen. Besonderes Augenmerk wurde auf die flachen Teile der Gleitzonen gelegt, da diese entscheidend dafür sind, ob es zu einem Tsunami kommt oder nicht.
Die Messungen wurden in einer Wassertiefe von 1.000 bis 2.000 Metern durchgeführt. „Noch besser wäre es, wenn wir Messungen in einer Wassertiefe von 3.000 bis 4.000 Metern direkt über dem flachsten Teil des Verwerfungssystems durchführen könnten“, sagt Foster.
Allerdings sind die derzeit am Meeresboden verwendeten geodätischen Systeme in diesen Tiefen nicht einsetzbar. Umso mehr freut es den Tsunami-Forscher, dass er bald ein Gerät erwerben kann, dessen Sensoren geodätische Messungen in diesen Tiefen ermöglichen. „Mit diesem System werden wir in der Lage sein, die Bewegung des Meeresbodens in diesen tiefsten Abschnitten der Tsunami-Verwerfungen direkt zu messen.“
Mehr Informationen:
Benjamin A. Brooks et al., Schneller flacher Megathrust-Nachrutsch des Erdbebens M8.2 in Chignik, Alaska 2021, entdeckt durch Meeresbodengeodäsie, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf9299
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