Ein neues Modell zur Vorhersage von Bewegung

Entlang der kalifornischen Küste wird der Möglichkeit von Erdbeben und Erdrutschen häufig der Satz „nicht wenn, sondern wann“ vorangestellt. Diese prekäre Realität ist jetzt etwas vorhersehbarer, dank Forschern der UC Santa Cruz und der University of Texas in Austin, die herausgefunden haben, dass Bedingungen, von denen bekannt ist, dass sie entlang von Verwerfungslinien tief unter der Erde rutschen, auch zu Erdrutschen darüber führen.

Der neue Studieveröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte und unter der Leitung des UC Santa Cruz-Geologen Noah Finnegan verwendete detaillierte Daten von zwei Erdrutschstandorten in Nordkalifornien, die Forscher seit Jahren identifiziert und genau überwacht haben. Finnegan und sein Co-Autor wandten dann ein Modell an, das ursprünglich zur Erklärung des langsamen Verwerfungsgleitens entwickelt wurde, und gelangten schließlich zu einem überraschenden Ergebnis: Das Modell funktionierte bei Erdrutschen genauso gut wie bei Verwerfungen.

Der Befund ist ein wichtiger Durchbruch und legt nahe, dass ein für Verwerfungen entwickeltes Modell auch zur Vorhersage des Erdrutschverhaltens verwendet werden kann. In Kalifornien, wo langsam fortschreitende Rutschungen ständig vorkommen und jährlich Hunderte Millionen Dollar kosten, stellt dies einen großen Fortschritt in der Fähigkeit dar, Erdrutschbewegungen vorherzusagen – insbesondere als Reaktion auf Umweltfaktoren wie Veränderungen des Grundwasserspiegels.

Laut Finnegan sind Erdrutsche im Wesentlichen ein „Sanitärproblem“. Wenn Regen den Boden durchnässt, steigt der Wasserdruck in den Steinen und die Reibung, die sonst dem Abrutschen entgegenwirken würde, nimmt ab, erklärte er.

„Auf praktischer Ebene liefert uns diese Studie einen Rahmen, um zu verstehen, wie viel Bewegung aufgrund einer Änderung der Niederschlagsmenge zu erwarten ist, was zu einer Änderung des Wasserdrucks im Boden führt, die sich dann in Bewegung niederschlägt“, sagte Professor Finnegan der Erd- und Planetenwissenschaften. „Wir haben nur sehr wenige Werkzeuge für vorausschauendes Denken, und dies ist ein schrittweiser Schritt in diese Richtung. Es löst nicht das größere Problem, aber es ist zumindest etwas, das wir jetzt nutzen können.“

In der Welt der Erdbeben, insbesondere in Regionen wie Kalifornien, besteht eine der größten Herausforderungen darin, das unterschiedliche Verhalten von Verwerfungslinien zu verstehen. Einige Verwerfungen sind „gesperrt“ und versagen nur in regelmäßigen Abständen, was zu großen Erdbeben führt. Andere rutschen ständig ab und bewegen sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit. Seismologen haben jahrzehntelang versucht herauszufinden, warum sich bestimmte Verwerfungen unterschiedlich verhalten, um seismische Aktivitäten und Erdbebengefahren besser vorhersagen zu können.

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Forscher begonnen zu erkennen, dass Verwerfungen ein breites Spektrum an Rutschverhalten aufweisen. Einige dieser Verhaltensweisen erzeugen keine wahrnehmbaren Erdbeben, beeinflussen aber dennoch die Verwerfungsmechanik. Diese stillen, „stillen“ Rutschereignisse verändern die Gefahrenlandschaft und stellen ein Rätsel dar, weil sie schwer zu beobachten und zu verstehen sind.

Ähnlichkeiten zwischen Rutschen und Beben

Ähnlich wie Verwerfungen verhalten sich auch Erdrutsche anders. Einige scheitern katastrophal und verursachen Todesfälle und weitreichende Schäden, während andere sich langsam ausbreiten und chronische und sich anhäufende Infrastrukturprobleme verursachen.

Ein aktuelles Beispiel ist der Erdrutsch in Rancho Palos Verdes, einer Stadt im nördlichen LA County. Dort kam es im portugiesischen Bend-Erdrutschkomplex in den letzten zwei Jahren zu zunehmendem Abrutschen, was dazu führte, dass Hunderte von Haushalten aus Sicherheitsgründen von der Gas- und Stromversorgung abgeschnitten wurden. Obwohl es sich um einen langsamen Erdrutsch handelt, waren die Auswirkungen dennoch so schwerwiegend, dass Gouverneur Gavin Newsom eine Notstandserklärung abgab.

„Eine grundlegende Frage in der Landschaftsgefährdungswissenschaft ist, was den Verhaltensstil steuert. Warum schleichen sich manche Erdrutsche aus und andere scheitern schnell und auf eine Weise, die viel zerstörerischer und gefährlicher ist?“ sagte Co-Autor Demian Saffer, Direktor des University of Texas Institute for Geophysics und Professor an der UT Jackson School of Geosciences.

„Erdrutschbewegungen ähneln in vielerlei Hinsicht tektonischen Verwerfungen. Wenn wir verstehen können, warum manche Systeme langsam abrutschen und andere katastrophal versagen, bietet das einen Einblick in die Physik, die diesen Verhaltensstil steuert.“

Ähnlich wie bei den Unsicherheiten in der Erdbebenwissenschaft haben wir nur begrenzte Kenntnisse darüber, was das Verhalten von Erdrutschen steuert – warum einige sich langsam und gleichmäßig bewegen, während andere plötzlich scheitern. In der Erdbebenwissenschaft sind die Auswirkungen der Reibung besser verstanden, insbesondere wie sich die Reibung ändert, wenn sich Materialien im Boden bewegen.

Wissenschaftler unterscheiden oft zwischen „statischer Reibung“, die Dinge in Ruhe hält, und „dynamischer Reibung“, die auftritt, wenn Dinge in Bewegung sind. Die Herausforderung besteht darin, dass sich die Reibung unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich verhält. Diese Veränderungen sind der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung von Erdbeben und Erdrutschen.

Bei Erdrutschen steckt die Untersuchung der Reibung noch in den Kinderschuhen, aber dieser Artikel stellt einen bedeutenden Fortschritt dar. Das Team fand heraus, dass Reibung Verwerfungen und Erdrutsche in ähnlicher Weise beeinflusst, indem es Spannungsmessungen von Instrumenten an den Erdrutschstellen verwendete und verfolgte, wie schnell sie sich bewegten.

Anschließend verglichen sie diese Felddaten mit im Labor durchgeführten Reibungsexperimenten. Insbesondere untersuchten sie, wie sich die Reibung innerhalb der Erdrutsche mit der Bewegung veränderte. Es wurde festgestellt, dass die Messungen vor Ort mit den Laborexperimenten übereinstimmen und ein konsistentes Bild davon liefern, wie Reibung die Erdrutschbewegung beeinflusst.

Finnegan nennt den legendären Highway 1 in Kalifornien als Paradebeispiel dafür, wie Erkenntnisse aus dieser Studie positive, praktische Auswirkungen haben können.

„Caltrans kämpft ständig darum, es offen zu halten“, sagte er. „Der Vorteil dieses Modells liegt in seiner Fähigkeit, operative Entscheidungen auf einer fundierteren Basis zu unterstützen. Es isoliert nicht nur Datenpunkte, sondern kontextualisiert sie, sodass Behörden vorhersagen können, wie sich Änderungen von Faktoren wie Niederschlag auf die Bodenbewegung auswirken können.“

Bedeutung der Materialeigenschaften

Ein wichtiger Teil der Forschung konzentrierte sich auf verschiedene Gesteinsarten und darauf, wie sich ihr Verhalten unter Stress verändert. Beispielsweise neigen tonreiche Gesteine ​​dazu, langsam und stabil zu kriechen, während quarzreiche Gesteine ​​beim Beginn des Gleitens eher einen plötzlichen Reibungsabfall erfahren, der zu einem katastrophalen Versagen führt. Dieses Verständnis könnte es Wissenschaftlern letztendlich ermöglichen, vorherzusagen, wie sich ein Erdrutsch auf der Grundlage der in einem Gebiet vorhandenen Gesteinsarten verhalten wird.

Die Forscher nutzten Feldbeobachtungen von zwei Standorten in Nordkalifornien. Einer befindet sich östlich von Fremont, den Finnegan zuerst identifizierte und acht Jahre lang überwachte. Der andere liegt im Humboldt County, weit im Norden, wo in den achtziger Jahren Beobachtungen von verschiedenen Wissenschaftlern gemacht wurden. Beide Standorte liegen innerhalb der „Franciscan Melange“, einer Felsformation, die anfällig für langsame Erdrutsche ist. Diese Formation ist das Überbleibsel einer alten Subduktionszone, in der eine tektonische Platte unter eine andere rutschte, ähnlich wie es heute in der Region Cascadia in Nordkalifornien geschieht.

Laut Saffer gelang eine wichtige Erkenntnis, als sie Feldbeobachtungen an den beiden Standorten mit den Daten verbanden, die bei Gesteinsverformungsexperimenten im Labor generiert wurden. Sie fanden heraus, dass die Bewegung der Rutschen Hinweise auf die Physik des Materials enthielt, indem sie den Erdrutsch selbst als groß angelegtes „Experiment“ betrachteten.

„Im Grunde handelt es sich um ein riesiges Rheologie-Experiment (Gesteinsverformung)“, sagte er. „Und es deutet darauf hin, dass wir theoretisch Orte identifizieren könnten, an denen katastrophale schnelle Erdrutsche wahrscheinlicher sind, und Orte, an denen wir damit rechnen, wenn wir Gesteinsproben in einer Region nehmen und den umgekehrten Ansatz wählen würden – indem wir detaillierte Messungen der Rheologie im Labor durchführen.“ Land zum Kriechen. Das ist der Punkt, an dem wir diese Arbeit als nächstes angehen wollen.“

Erschließung tektonischer Erkenntnisse

Eine der abstrakteren – aber ebenso wichtigen – Implikationen dieser Studie ist ihre Relevanz für Plattentektonik und Subduktionszonen. Die an einem Punkt untersuchten Erdrutsche befanden sich an der Schnittstelle einer alten Subduktionszone, einem Ort, der für die Entstehung verheerender Erdbeben der Stärke 9 berüchtigt ist. Diese Erdbeben gehören zu den zerstörerischsten Naturkatastrophen auf der Erde.

Die Untersuchung langsamer Erdrutsche in diesen Gesteinsarten könnte wertvolle Einblicke in die Mechanik von Gleitprozessen in Subduktionszonen liefern. Aufgrund der Schwierigkeit, in diesen tiefen Unterwasser-Störungsumgebungen direkte Messungen durchzuführen, könnte die Erdrutschforschung Aufschluss darüber geben, wie sich diese Plattengrenzflächen unter verschiedenen Bedingungen verhalten. Insbesondere könnte das Verständnis des Rutschverhaltens in den Verwerfungszonen am Meeresboden die Vorhersagen im Zusammenhang mit durch Erdbeben ausgelösten Tsunamis verbessern und Experten dabei helfen, zu verstehen, wie und wann diese kritischen seismischen Ereignisse auftreten könnten.

„Neben dem praktischen Wert dieser Arbeit ist sie auch ein Beispiel dafür, wie das Überschreiten disziplinärer Grenzen neue Erkenntnisse zu alten Problemen liefert“, sagte Finnegan. „In diesem Fall zeigen wir, wie Erdrutsche – bei denen Messungen relativ einfach durchzuführen sind – einen Einblick in Prozesse bieten können, die tief in Verwerfungen ablaufen, wo Messungen nahezu unmöglich sind, physikalische Einschränkungen jedoch entscheidend für das Verständnis von Gefahren sind.“