Cascadia-Subduktionszone, eine der größten Gefahren der Erde, rückt stärker in den Fokus

Vor den Küsten des südlichen British Columbia, Washington, Oregon und Nordkalifornien liegt ein 600 Meilen langer Streifen, wo der Boden des Pazifischen Ozeans langsam nach Osten unter Nordamerika abtaucht. Dieses Gebiet, die sogenannte Cascadia-Subduktionszone, beherbergt eine Megaüberschiebung, eine Stelle, an der tektonische Platten auf äußerst gefährliche Weise gegeneinander rutschen.

Die Platten können sich in regelmäßigen Abständen verklemmen und über weite Flächen Spannung aufbauen, die sich schließlich wieder löst, wenn sie gegeneinander prallen. Das Ergebnis: die schwersten Erdbeben der Welt, die sowohl den Meeresboden als auch das Land erschüttern und Tsunamis von über 30 Metern Höhe erzeugen.

Ein solcher Bruch vor Japan war die Ursache für die Atomkatastrophe von Fukushima 2011. Ähnliche Gebiete gibt es unter anderem vor Alaska, Chile und Neuseeland. In Cascadia kommt es vermutlich etwa alle 500 Jahre zu großen Beben, ein paar hundert plus/minus. Das letzte Beben ereignete sich im Jahr 1700.

Wissenschaftler arbeiten schon seit langem daran, die unterirdischen Strukturen und Mechanismen der Cascadia-Subduktionszone zu verstehen, um die erdbebengefährdetsten Stellen zu identifizieren, ihre Größe zu bestimmen und zu ermitteln, welche Warnsignale sie auslösen können. Erdbeben lassen sich nicht vorhersagen. Wissenschaftler versuchen vielmehr, die Wahrscheinlichkeit mehrerer Szenarien vorherzusagen, in der Hoffnung, den Behörden dabei zu helfen, Bauvorschriften und Warnsysteme zu entwickeln, die den Schaden im Falle eines Erdbebens minimieren.

Eine neue Studie verspricht, diese Bemühungen deutlich voranzubringen. Ein Forschungsschiff, das eine Reihe modernster geophysikalischer Instrumente durch fast die gesamte Zone schleppte, hat die erste umfassende Untersuchung der vielen komplexen Strukturen unter dem Meeresboden durchgeführt. Dazu gehören die Geometrie der absinkenden Ozeanplatte und der darüber liegenden Sedimente sowie die Zusammensetzung der darüber liegenden nordamerikanischen Platte. Die Studie wurde veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.

„Die derzeit von öffentlichen Stellen verwendeten Modelle basieren auf einem begrenzten Satz alter, minderwertiger Daten aus den 1980er Jahren“, sagte Suzanne Carbotte, Meeresgeophysikerin am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University, die die Forschung leitete. „Der Megathrust hat eine viel komplexere Geometrie als bisher angenommen. Die Studie bietet einen neuen Rahmen für die Bewertung von Erdbeben- und Tsunamigefahren.“

Die Daten wurden während einer 41-tägigen Kreuzfahrt im Jahr 2021 von Lamonts Forschungsschiff Marcus G. Langseth gesammelt. Die Forscher an Bord des Schiffes durchdrangen den Meeresboden mit starken Schallimpulsen und lasen die Echos, die dann in Bilder umgewandelt wurden, ähnlich wie Ärzte Innenscans des menschlichen Körpers erstellen.

Eine wichtige Erkenntnis: Die Megathrust-Verwerfungszone ist nicht nur eine zusammenhängende Struktur, sondern in mindestens vier Segmente unterteilt, von denen jedes potenziell etwas gegen die Bewegungen der anderen isoliert ist. Wissenschaftler haben lange darüber diskutiert, ob vergangene Ereignisse, darunter das Erdbeben von 1700, die gesamte Zone oder nur einen Teil davon aufgerissen haben – eine Schlüsselfrage, denn je länger der Bruch ist, desto stärker ist das Beben.

Die Daten zeigen, dass die Segmente durch verborgene Strukturen, darunter große Verwerfungen, getrennt sind, bei denen gegenüberliegende Seiten senkrecht zum Ufer aneinander entlang gleiten. Dies könnte als Puffer gegen Bewegungen eines Segments dienen, die sich auf das nächste übertragen.

„Wir können nicht sagen, dass dies definitiv bedeutet, dass nur einzelne Segmente brechen werden oder dass definitiv das Ganze auf einmal brechen wird“, sagte Harold Tobin, Geophysiker an der University of Washington und Co-Autor der Studie. „Aber dies stärkt die Beweise dafür, dass es segmentierte Brüche gibt.“

Die Bilder geben auch Aufschluss über die Ursachen der Segmentierung: Der starre Rand der darüberliegenden nordamerikanischen Kontinentalplatte besteht aus vielen verschiedenen Gesteinsarten, die sich im Laufe von vielen zehn Millionen Jahren zu unterschiedlichen Zeiten gebildet haben, wobei einige dichter sind als andere. Diese Vielfalt der kontinentalen Gesteine ​​führt dazu, dass sich die heranrückende, biegsamere ozeanische Platte biegt und verdreht, um den Unterschieden im darüberliegenden Druck gerecht zu werden. An einigen Stellen fallen die Segmente in relativ steilen Winkeln ab, an anderen in flachen.

Die Forscher konzentrierten sich insbesondere auf einen Abschnitt, der vom Süden Vancouver Islands entlang des Bundesstaates Washington verläuft und mehr oder weniger an der Grenze zu Oregon endet.

Die unterirdische Topographie anderer Abschnitte ist relativ rau, mit ozeanischen Strukturen wie Verwerfungen und subduzierten Tiefseebergen, die an der oberen Platte reiben – Strukturen, die die obere Platte erodieren und die Ausbreitungsweite eines Erdbebens innerhalb des Abschnitts und damit die Stärke des Erdbebens begrenzen könnten. Im Gegensatz dazu ist der Abschnitt Vancouver-Washington ziemlich glatt. Das bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist, dass es auf seiner gesamten Länge auf einmal bricht, was ihn möglicherweise zum gefährlichsten Abschnitt macht.

Außerdem taucht der Meeresboden in diesem Abschnitt in einem im Vergleich zu den anderen Abschnitten flachen Winkel unter die kontinentale Kruste ab. In den anderen Abschnitten liegt der Großteil der erdbebengefährdeten Schnittstelle zwischen den Platten vor der Küste, aber hier ergab die Studie, dass der flache Subduktionswinkel bedeutet, dass sie sich wahrscheinlich direkt unter Washingtons Olympic-Halbinsel erstreckt. Dies könnte jedes Beben an Land verstärken.

„Es bedarf noch vieler weiterer Studien, aber für Orte wie Tacoma und Seattle könnte es den Unterschied zwischen alarmierend und katastrophal bedeuten“, sagte Tobin.

Ein Konsortium aus staatlichen und bundesstaatlichen Behörden sowie akademischen Einrichtungen hat die Daten bereits gründlich geprüft, seit diese verfügbar wurden, um die Implikationen herauszuarbeiten.

Was die Tsunamigefahr angeht, so sei diese „noch in Arbeit“, sagt Kelin Wang, ein Wissenschaftler des Geological Survey of Canada, der nicht an der Studie beteiligt war.

Wangs Gruppe nutzt die Daten, um Merkmale des Meeresbodens vor Vancouver Island zu modellieren, die Tsunamis auslösen könnten. (Im Allgemeinen entsteht ein Tsunami, wenn sich der tiefe Meeresboden während eines Erdbebens nach oben oder unten bewegt und eine Welle an die Oberfläche schickt, die ihre Energie konzentriert und an Höhe gewinnt, wenn sie flachere Küstengewässer erreicht.) Wang sagte, seine Ergebnisse würden an eine andere Gruppe gehen, die Tsunamis selbst modelliert, und danach an eine weitere Gruppe, die die Gefahren an Land analysiert.

Praktische Einschätzungen, die Bauvorschriften oder andere Aspekte der Vorbereitung betreffen könnten, könnten bereits im nächsten Jahr veröffentlicht werden, sagen die Forscher. „Hier ist viel mehr Komplexität vorhanden, als bisher angenommen wurde“, sagte Carbotte.