Bisher detaillierteste Untersuchung seismischer Aktivitäten verbindet Verwerfungsstärke mit Wahrscheinlichkeit großer Erdbeben

Japan liegt am Pazifischen Feuerring und ist eines der erdbebengefährdetsten Länder der Welt. Jedes Jahr ereignen sich Tausende kleiner Erdbeben, und es besteht ständig die Gefahr eines „großen Bebens“. Derzeit ist es nicht möglich, vorherzusagen, wann große Erdbeben auftreten werden. Seismologen in Japan hoffen jedoch, durch die Untersuchung der zahlreichen kleinen Erdbeben mehr über die Prozesse in der Erdkruste zu erfahren, die zu großen Beben führen.

Nun haben Forscher der Universitäten Kyushu und Tokio in Japan seismische Aktivitäten mit beispielloser Genauigkeit untersucht und einen Zusammenhang zwischen der Stärke von Verwerfungen und der Stärke von Erdbeben festgestellt. Veröffentlicht in Naturkommunikation, die Studie schlägt vor, dass die Stärke der Verwerfung den b-Wert beeinflusst – und damit die Wahrscheinlichkeit eines schweren Erdbebens.

„Der b-Wert ist eine sehr wichtige Konstante in der Seismologie, die die Beziehung zwischen Erdbebenhäufigkeit und -größe charakterisiert“, erklärt Professor Satoshi Matsumoto, Erstautor der Studie und Direktor des Instituts für Seismologie und Vulkanologie der Universität Kyushu. „Ein niedriger b-Wert bedeutet, dass es einen höheren Anteil großer Erdbeben gibt, während ein hoher b-Wert einen höheren Anteil kleinerer Erdbeben bedeutet.“

Der b-Wert kann an verschiedenen Orten und auch im Laufe der Zeit variieren und nimmt oft kurz vor einem schweren Erdbeben ab. Eine frühere Studie legte nahe, dass der Rückgang des b-Werts durch die zunehmenden Spannungskräfte verursacht wurde, die auf die Verwerfung ausgeübt werden. Diese Studie legt nun nahe, dass auch die Stärke der Verwerfung ein beitragender Faktor ist.

In der Studie analysierten die Forscherteams die seismischen Aktivitäten im Gebiet um das Epizentrum des Erdbebens von West-Tottori, das sich im Jahr 2000 mit einer Stärke von 7,3 ereignete. Durch die Installation von mehr als 1.000 seismischen Stationen in dem Gebiet konnten die Forscher seismische Beobachtungen mit einer beispiellosen Genauigkeit durchführen.

„Selbst zwei Jahrzehnte später ereignen sich noch immer Hunderte kleiner Nachbeben, die meisten davon sind zu klein, als dass wir sie spüren könnten“, sagt Matsumoto.

Mit so vielen Sensoren konnten die Forscher winzige Bewegungen der Verwerfungen und auch die Ausrichtung jeder einzelnen Verwerfung innerhalb der Erdkruste erkennen.

Mithilfe dieser Datenmenge konnte das Team das Spannungsfeld (die unterschiedlichen Richtungen der Spannungskräfte, die zum Zeitpunkt des Versagens auf jeden Verwerfungsfehler einwirkten) abschätzen und die Verwerfungen als stark oder schwach charakterisieren.

„Unter bestimmten Spannungsbedingungen gibt es in jedem tektonischen Regime eine Richtung der Verwerfungsebene, in die sie abrutscht. Wenn Verwerfungen in ungünstige Richtungen verlaufen, deutet dies darauf hin, dass es sich um schwache Verwerfungen handelt, die leichter abrutschen können. Andererseits erfordern starke Verwerfungen mehr Spannung, um abzurutschen, und haben eine viel charakteristischere Richtung“, erklärt Matsumoto.

Anhand der Spannungsfeldberechnungen konnten die Forscher auch den b-Wert der Ereignisgruppe schätzen, die nach der Stärke der Verwerfungen kategorisiert ist. Sie fanden heraus, dass stärkere Verwerfungen kleinere b-Werte haben, was darauf hindeutet, dass größere Erdbeben wahrscheinlicher sind, während schwächere Verwerfungen größere b-Werte haben, was darauf hindeutet, dass größere Erdbeben weniger wahrscheinlich sind.

„Einfach ausgedrückt, diese schwachen Verwerfungen werden wahrscheinlich verrutschen, bevor sich eine große Spannung aufgebaut hat, was bedeutet, dass sie nicht in der Lage sind, große Kräfte freizusetzen“, sagt Matsumoto.

Durch ein tieferes Verständnis der Faktoren, die die b-Werte beeinflussen, hoffen die Forscher, dem „Heiligen Gral“ der Erdbebenvorhersage näher zu kommen.

„Ich glaube nicht, dass wir jemals genau wissen werden, wann ein Erdbeben eintreten wird, aber wenn wir Daten wie Verwerfungsrichtung und -stärke betrachten und B-Werte berechnen, können wir abschätzen, wann eine Verwerfung einen kritischen Punkt erreicht hat – wo nur noch ein winziger zusätzlicher Kraftschub nötig ist, damit die Verwerfung abrutscht“, schließt Matsumoto. „Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung, um auf schwere Erdbeben vorbereitet zu sein.“