Erdbeben sind notorisch schwer vorherzusagen, ebenso wie die normalerweise weniger schweren Nachbeben, die oft auf ein großes seismisches Ereignis folgen.
Greg McLaskey, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Cornell Engineering, und Mitglieder seiner Forschungsgruppe modellieren Erdbeben im Bovay Laboratory Complex und haben eine Methode entwickelt, um die Art der verzögerten seismischen Aktivität nachzuahmen, die auf ein Erdbeben folgt.
Unter Verwendung einer Hybridprobe, die Kunststoffblöcke und pulverisiertes Gestein kombiniert, untersuchte McLaskeys Team die verzögerte Erdbebenauslösung, um die Mechanismen von Nachbeben und letztendlich die Kräfte, die ein großes Erdbeben vorhersagen, besser zu verstehen.
McLaskey ist leitender Autor von „Creep Fronts and Complexity in Laboratory Earthquake Sequences Illuminate Delayed Earthquake Triggering“, veröffentlicht am 11. November in Naturkommunikation.
Nachbeben können einige Stunden bis mehrere Jahre nach einem großen seismischen Ereignis auftreten und entstehen durch komplexe und kaum verstandene Auslösemechanismen. Und da diese Ereignisse meilenweit unter der Oberfläche entstehen, ist eine direkte Messung des sich bewegenden Gesteins selten möglich.
„Sogar im Labor ist es schwer zu studieren, weil sie sehr schnell passieren“, sagte McLaskey. „Das Erdbeben ist im Grunde wie ein Riss, ein Riss, der sich mit 3 Kilometern pro Sekunde durch die Erde ausbreitet.“
McLaskey und sein Labor haben die seismische Aktivität in einem relativ großen Maßstab modelliert – zum Beispiel beim Zusammenpressen von zwei 3 Meter langen Granitplatten mit mehr als 2 Millionen Pfund Kraft. Aber für diese Arbeit wurde das Modell erheblich verkleinert.
Das Team verwendete etwa 2 ½ Fuß lange Kunststoffblöcke mit Quarzstaub zwischen den Blöcken, um die Art der Reibung zu simulieren, die zwischen gigantischen tektonischen Platten 15 Kilometer unter der Erdoberfläche auftritt.
„Quarzpulver ist im Grunde wie gemahlener Sand“, sagte McLaskey. „Wenn Sie Granit gegen sich selbst schleifen lassen würden, würde es etwas Ähnliches erzeugen, also denken wir, dass es ziemlich repräsentativ ist.“
Die Forscher Cebry und Ke experimentierten mit einer Vielzahl von Materialien, um die richtige Kombination aus Plastik und Gesteinsstaub zu finden, die nachbebenähnliche Aktivitäten hervorrufen würde, wenn auch in viel geringerem Umfang. Cebry nannte ihre Formel „genau die richtige Menge an Interesse“, um nützlich zu sein.
„Das Coole ist, dass wir einen Teil der Probe dazu bringen konnten, schnell zu rutschen, seismische Wellen auszustrahlen, ein kleines Erdbeben zu verursachen, und dann gab es eine Verzögerung“, sagte McLaskey. „Und dann würde das andere Ende der Probe reißen. Es war eine Art Nachbeben.“
„Creep Fronts“ – auf die im Titel des Papiers angespielt wird – seien der Schlüssel, sagte McLaskey. Dies sind Verwerfungsabschnitte, die sehr langsam und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang der Verwerfung gleiten, aber zu erheblichen Veränderungen im Untergrund führen.
„In Kalifornien zum Beispiel gibt es viele Fehler, bei denen man sieht, dass sich der Bürgersteig nach 10 Jahren vielleicht ein wenig verschoben hat, aber es gab kein Erdbeben“, sagte er. „Es schlich sich nur so an.“
Anstatt dass das unterirdische Gestein mit konstanter Geschwindigkeit gleitet, rutscht ein Teil der Verwerfung schneller als ein anderer, sagte McLaskey, und der Schnittpunkt zwischen den schneller und den langsamer rutschenden Abschnitten bewegt sich. „Das Verhalten des Felsens auf der einen Seite wandert hinüber, um das Verhalten auf der anderen Seite zu beeinflussen“, sagte er.
Anhand ihrer Modellierung stellte die Gruppe fest, dass die Geschwindigkeit und Stärke von Kriechfronten empfindlich auf Verwerfungsspannungen früherer Erdbeben reagieren. Diese könnten messbar sein und als lokale Spannungsmesser dienen, die eines Tages helfen könnten, seismische Ereignisse vorherzusagen.
„Die Vorhersage von Erdbeben ist noch ein langer Weg“, sagte McLaskey, „aber ich denke, dass wir mit dieser Arbeit einen Schlüsselaspekt der Physik besser verstehen.“
Mehr Informationen:
Sara Beth L. Cebry et al, Kriechfronten und Komplexität in Erdbebensequenzen im Labor beleuchten verzögerte Erdbebenauslösung, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34397-0