Da die Cascadia-Subduktionszone vor der Küste liegt und unter den meisten Großstädten flache Verwerfungen lauern, ist das Puget-Sound-Gebiet bereits mit einer beängstigenden Reihe seismischer Szenarien konfrontiert. Eine neue Studie fügt eine weitere hinzu: die Möglichkeit eines Doppel-Erdbebenschlags.
Mithilfe modernster Baumring- und Radiokarbondatierungsmethoden stellten Forscher fest, dass das jüngste schwere Erdbeben an der Seattle-Verwerfung kein Einzelfall war. Etwa zur gleichen Zeit brach die Saddle-Mountain-Verwerfung, die die Olympic-Halbinsel in der Nähe des Lake Cushman durchschneidet.
Das Team konnte auch das Datum mit erstaunlicher Präzision bestimmen und es auf ein sechsmonatiges Fenster zwischen dem Herbst 923 n. Chr. und dem Frühling des folgenden Jahres eingrenzen – also vor fast genau 1.100 Jahren.
Ihre Ergebnisse wurden am Mittwoch in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Das Projekt, das sich über mehr als fünf Jahre erstreckte und bei dem Taucher mit Unterwasserkettensägen Proben von den durch die Beben ertrunkenen Bäumen untersuchten, sei eine wissenschaftliche Meisterleistung, die in der Seismologie nahezu beispiellos sei, sagte Harold Tobin, Direktor des Pacific Northwest Seismic Network an der University of California Washington. Um das Datum genauer bestimmen zu können, nutzte das Team einen neuen Ansatz, der in Baumringen eingefangene Spuren früherer Sonnenstürme erkennt.
Aber die Ergebnisse fügen eine neue Worst-Case-Möglichkeit zu den seismischen Bedrohungen hinzu, denen eine Region mit 4 Millionen Menschen ausgesetzt ist, sagte Tobin, der nicht an der Studie beteiligt war. Ein seismischer Doppelschlag wäre viel schädlicher als jedes einzelne Beben, insbesondere für alte Backstein- und Betongebäude sowie anfällige Brücken und Infrastruktur. Es handelt sich um ein Szenario, das in Gefahrenkarten, Bauvorschriften und Notfallplanungen nicht berücksichtigt wurde – aber das muss berücksichtigt werden, fügte Tobin hinzu.
„Die Wahrscheinlichkeit ist in jedem Jahr nicht hoch und es gibt keinen Grund, wegen dieser Studie auszuflippen“, sagte Tobin. „Aber es unterstreicht, dass wir auf diese Dinge vorbereitet sein müssen.“
Eine Analyse aus dem Jahr 2005 schätzte, dass ein relativ bescheidenes Beben der Stärke 6,7 an der Seattle-Verwerfung 1.600 Menschen töten, fast 10.000 Gebäude zerstören und wirtschaftliche Verluste von bis zu 50 Milliarden US-Dollar verursachen könnte. Wenn die Seattle- und Saddle-Mountain-Verwerfungen gleichzeitig brechen würden, schätzt die neue Studie, würde das resultierende Beben eine Stärke von 7,8 erreichen – fast 40-mal stärker – und ein viel größeres Gebiet betreffen.
Die genaue Abfolge der antiken Beben sei weiterhin unklar, sagte Studienmitautor Morgan Page vom US Geological Survey.
Basierend auf der statistischen Analyse globaler Erdbebensequenzen berechnet sie eine 3-zu-1-Wahrscheinlichkeit, dass die Verwerfungen gleichzeitig aufgebrochen sind. Es ist aber auch möglich, dass zwischen zwei Beben Stunden, Tage oder sogar Monate lagen. In diesem Fall schätzt die Studie ihre Stärke auf 7,3 bis 7,5.
Seismologen kategorisierten die meisten gehäuften Beben früher als Nachbeben und gingen davon aus, dass sie an derselben Verwerfung auftraten, sagte John Cassidy, ein leitender Seismologe bei Natural Resources Canada, der nicht an dem Projekt beteiligt war. Aber in den letzten Jahren hat man immer mehr darüber gelernt, wie ein Ausrutscher bei einem Fehler andere belasten kann. Die Verwüstung im Februar in der Türkei wurde durch ein starkes Beben verursacht, das neun Stunden später den Bruch einer angrenzenden Verwerfung auslöste.
Flache Beben in der Nähe städtischer Gebiete können besonders schlimm sein, weil sie so nah an der Oberfläche sind. Die Erschütterungen wären weitaus stärker als beim jüngsten großen Erdbeben in Washington – dem Nisqually-Ereignis der Stärke 6,8 im Jahr 2001, das seinen Ursprung mehr als 20 Meilen unter der Erde hatte.
„Ein Erdbeben auf der Seattle-Verwerfung wird … wahrscheinlich viel, viel katastrophaler sein“, sagte Tobin.
Glücklicherweise sind flache Verwerfungsbeben in Washington äußerst selten. Das seismische Chaos im Jahr 923–924 n. Chr. scheint die intensivste Episode seit dem Ende der letzten Eiszeit vor 16.000 Jahren zu sein, berichten die Forscher. Geologen haben für die meisten der rund ein Dutzend Verwerfungen in der Gegend immer noch keine ausführlichen Bebengeschichten, aber die meisten scheinen alle tausend bis mehrere tausend Jahre aufzubrechen, sagte Tobin. Das USGS schätzt die Wahrscheinlichkeit eines schweren Bebens an der Seattle-Verwerfung in den nächsten 50 Jahren auf etwa 5 %.
Aber das Beben, das Anfang dieses Monats Marokko erschütterte, ereignete sich in einem Gebiet, in dem Erdbeben ebenfalls selten sind und noch nie etwas so Starkes registriert wurde, betonte Tobin.
Die neue Forschung baut auf mehr als 30 Jahren geologischer Entdeckungen auf. Bei Feldarbeiten in den frühen 1990er-Jahren wurden mehrere Hinweise auf das Beben der Seattle-Verwerfung entdeckt, das Alki Point und die südöstliche Spitze von Bainbridge Island um bis zu 20 Fuß anhob und einen Tsunami auslöste, der das Gelände der West Point-Kläranlage überschwemmte. Es löste auch Erdrutsche auf Mercer Island aus, die dazu führten, dass alte Wälder in den Lake Washington rutschten, wo einige immer noch aufrecht in fast 300 Fuß Wassertiefe stehen.
Das Beben in Saddle Mountain riss den Boden mit einem 24 Fuß hohen Steilhang auf, der einen Abfluss blockierte und zum Price Lake führte, der Bäume überflutete, als das Wasser anstieg.
Diese in sauerstoffarmem, kaltem Wasser konservierten untergetauchten Bäume aus Lake Washington, Price Lake und anderen Standorten waren der Schlüssel zu der neuen Forschung.
Frühere Radiokarbonanalysen hatten das Beben der Seattle-Verwerfung bereits auf die Zeit zwischen 900 und 930 n. Chr. datiert. Interessante Hinweise von mehreren anderen Verwerfungen, darunter Saddle Mountain, Olympia und Tacoma, deuten darauf hin, dass sie ebenfalls zu dieser Zeit brachen. An diesen anderen Standorten ergaben konventionelle Methoden jedoch mögliche Altersspannen, die sich über Jahrhunderte erstreckten.
„Es herrschte zu viel Unsicherheit“, sagte Co-Autor Brian Sherrod, ein USGS-Wissenschaftler, der den größten Teil seiner Karriere damit verbracht hat, Fehler im ganzen Staat zu untersuchen.
Eine zufällige Begegnung auf einer wissenschaftlichen Konferenz zwischen Sherrod und Bryan Black, einem führenden Dendrochronologen der University of Arizona, setzte die mehrjährige Odyssee in Gang.
„Es ist ein großes Rätsel. Deshalb hat es so lange gedauert“, sagte Sherrod. „Für mich besteht die Geschichte aus diesen neuen Techniken, die Bryan und seine Kollegen ins Bild bringen.“
Baumringe können viel genauere Daten liefern als Radiokarbon, erklärte Black. Die Proben müssen jedoch in gutem Zustand sein, mit Rinde und ausgedehnten Ringfolgen.
Eine der entmutigendsten Aufgaben bestand darin, Dutzende von Kernen und Holzscheiben zusammenzutreiben, die andere Forscher im Laufe der Jahre gesammelt hatten. Schließlich sammelte Black verwertbare Proben von 47 Douglasien an sechs Standorten, an denen Bäume durch die Erdbeben ertrunken waren. Einige der Proben dokumentierten fast drei Jahrhunderte Geschichte.
Das Team musste neue Proben aus Price Lake sammeln, wo noch Stümpfe der durch das Erdbeben zerstörten Douglasien sichtbar sind. USGS-Taucher kämpften im trüben Wasser darum, brauchbare Proben mit intakter Rinde von den Baumwurzeln zu schneiden. „Es würde bis zu einer Stunde dauern, einen einzelnen Keil aus einem Baum zu schneiden, da sie nahezu ohne Sicht arbeiteten“, sagte Black, Hauptautor der Studie.
Um die Baumringe zeitlich zu verankern, verwendete er eine Referenzsequenz von 1.300 Jahre alten Tannen, die Anfang der 1990er Jahre auf Vancouver Island gesammelt wurden – sodass das Datum des äußersten Rings bekannt ist.
Black hat jede Probe mehrmals geschliffen, unter anderem mit Diamantkörnern im Mikrometerbereich, sogenannten Läppfilmen. „Es ist so weit geschliffen, dass man die einzelnen Zellen im Holz unter dem Mikroskop sehen kann“, sagte er.
Als er seine Proben anordnete und sie mit den Referenzbäumen verglich, war die Antwort eindeutig.
Die Gültigkeit des Datums wurde durch eine Radiokarbonanalyse einzelner Baumringe bestätigt, bei der nach Hinweisen auf kosmische Zeitstempel namens Miyake-Ereignisse gesucht wurde. Benannt nach dem japanischen Physiker, der sie entdeckt hat, stellen die Ereignisse Strahlungsspitzen von Sonneneruptionen oder explodierenden Sternen vor Jahrhunderten oder Jahrtausenden dar. Zum Glück für die Dendrochronologie führen Spitzen der kosmischen Strahlung zu Spitzen im atmosphärischen Kohlenstoff-14-Gehalt, dem Isotop, dessen langsamer Zerfall die Uhr ist, die die Radiokarbondatierung verankert.
Noch glücklicher für Black und seine Kollegen: Ein Miyake-Ereignis ereignete sich im Jahr 774 n. Chr. und tauchte in ihren Douglasienproben auf, was einen absoluten Maßstab für die Zählung darstellte.
„Boom“, sagte er. „Alles kam zusammen und wir sahen, dass diese Bäume alle starben, wobei der letzte vollständig gebildete Ring das Jahr 923 war.“
Das Rätsel, wann genau die Seattle-Verwerfung brach und ob andere Verwerfungen beteiligt waren, besteht seit mehr als 30 Jahren – und Black sagte, er könne jetzt verstehen, warum. „Das war das komplizierteste und herausforderndste Dating-Projekt meiner Karriere.“
Und er und Sherrod sind noch nicht fertig. Sie sind auf der Suche nach überfluteten Bäumen, die mit den Verwerfungen Tacoma und Olympia in Verbindung stehen, um herauszufinden, ob der Erdbebenausbruch vor 1.100 Jahren noch größer war.
In der Zwischenzeit versucht Seattle erneut, die Gefahr zu bekämpfen, die von alten Backsteingebäuden, auch unbewehrtes Mauerwerk (URM) genannt, ausgeht, die zu den gefährlichsten Orten bei einem Erdbeben gehören. Mehr als 1.000 URM-Wohnhäuser, Büros, Kirchen und Versammlungsräume sind über die ganze Stadt verstreut, und Bemühungen, Sanierungen vorzuschreiben, sind wiederholt ins Stocken geraten.
Die neueste Entwicklung ist eine neue Regel, die die Anforderungen für Nachrüstungen vereinfacht und standardisiert, sagte URM-Programmmanagerin Amanda Hertzfeld. Der nächste Schritt wird ein freiwilliges Nachrüstungsprogramm sein, das bis zum nächsten Frühjahr umgesetzt werden könnte. Das Ziel bestehe darin, irgendwann Upgrades vorzuschreiben, sagte Hertzfeld, aber es gebe noch keinen Zeitplan.
Mehr Informationen:
Bryan A. Black et al.: Eine durch Massensterben von Bäumen aufgedeckte Bedrohung durch mehrere Erdbeben in der Metropolregion Seattle, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh4973
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