Die ersten sieben Monate des Jahres 2024 waren so ereignisreich, dass man leicht vergisst, dass das Jahr am Neujahrstag mit einem Erdbeben der Stärke 7,5 begann, dessen Epizentrum unter der japanischen Halbinsel Noto lag. Das Erdbeben forderte über 280 Todesopfer und beschädigte über 83.000 Häuser.
Geologen haben nun herausgefunden, dass das Erdbeben fast gleichzeitig an zwei verschiedenen Stellen der Verwerfung begann, wodurch der seismische Bruch einen widerstandsfähigen Bereich der Verwerfung, eine sogenannte Barriere, umschließen und durchbrechen konnte. Dieser seltene „doppelte Auslöser“-Mechanismus übte von beiden Seiten der Barriere enormen Druck aus, was zu einer starken Energiefreisetzung und erheblichen Erschütterungen auf der gesamten Noto-Halbinsel führte.
Dem Noto-Erdbeben gingen heftige seismische Schwärme voraus, also Abfolgen vieler kleiner Erdbeben, die manchmal zu einem größeren, katastrophalen Ereignis führen können. Mithilfe modernster seismischer und geodätischer Technologien analysierte das Forschungsteam akribisch die Bewegungen innerhalb der Erde während dieses Schwarms, der zum Erdbeben führte.
Die Studie, veröffentlicht im Journal Wissenschaftbietet Einblicke in die Rolle von Verwerfungsbarrieren (auch Unebenheiten genannt) bei der Entstehung von Erdbeben und wird dazu beitragen, die Bewertung seismischer Risiken und die Vorhersage künftiger Erdbeben zu verbessern.
Erdbeben ereignen sich, wenn Brüche in der Erdkruste, sogenannte Verwerfungen, es Felsblöcken auf beiden Seiten der Verwerfung ermöglichen, aneinander vorbeizugleiten. Diese Bewegung ist lokal begrenzt und nicht kontinuierlich entlang der Verwerfungslinie, da die Linie nicht eben oder glatt ist, was Energie abführt und die Bewegung schließlich stoppt.
Eine Barriere ist ein rauer Bereich, der die beiden Seiten einer Verwerfung an Ort und Stelle hält. Barrieren absorbieren die Energie der Verwerfungsbewegung, verlangsamen sie oder stoppen sie ganz. Aber die Energie, die eine Barriere absorbieren kann, ist begrenzt, und unter den richtigen Bedingungen führt die aufgestaute Energie dazu, dass sie heftig bricht, was zu starken Erschütterungen führt. Ein Schwarm kleiner Erdbeben reicht möglicherweise nicht aus, um eine Barriere zu brechen, aber wenn es anschließend zu viel stärkeren Bewegungen an der Verwerfung kommt, wird der Bruch der Barriere die gesamte gespeicherte Energie freisetzen.
Unter der Leitung von Lingsen Meng, außerordentlicher Professorin für Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften an der UCLA, dem UCLA-Studenten Liuwei Xu und dem Geophysikprofessor Chen Ji von der UC Santa Barbara analysierte ein internationales Forscherteam aus den USA, Frankreich, China und Japan georäumliche Daten und Aufzeichnungen seismischer Wellen, um die Beziehungen zwischen dem Schwarm kleinerer Beben und dem darauf folgenden größeren Erdbeben zu verstehen. Sie identifizierten eine bisher unbekannte Barriere in der Region des Schwarms.
Zu ihrer Überraschung begann das Erdbeben am Neujahrstag fast gleichzeitig an zwei verschiedenen Stellen der Verwerfung. Von beiden Stellen bewegte sich die Energie in Richtung der Barriere, was einen gewaltigen Bruch und extrem starke Erschütterungen verursachte.
„Das Erdbeben begann an zwei Stellen und kreiste gemeinsam“, sagte Meng. „Das erste Erdbeben löste Wellen aus, die sich schnell ausbreiteten und ein anderes Epizentrum auslösten. Dann breiteten sich beide Teile gemeinsam nach außen aus und trafen sich in der Mitte, wo sich die Barriere befand, und brachen sie.“
Die Mechanik ähnelt dem Biegen eines Bleistifts an beiden Enden, bis er in der Mitte bricht.
Der Befund war überraschend, denn obwohl die sogenannte Dual-Initiation in Simulationen beobachtet werden konnte, war sie in der Natur viel schwieriger zu beobachten. Dual-Initiationsmechanismen erfordern genau die richtigen Bedingungen, die im Labor geschaffen werden können, in der realen Welt jedoch weniger vorhersehbar sind.
„Wir konnten es beobachten, weil Japan über sehr gute seismische Überwachungsstationen verfügt und wir auch GPS- und Satellitenradardaten nutzten. Wir haben alle Daten erfasst, die wir finden konnten! Nur durch die Kombination all dieser Daten konnten wir eine wirklich gute Auflösung dieses Bruchs erreichen und in diese feinen Details vordringen“, sagte Meng.
Für die überwiegende Mehrheit der Erdbeben liegen nicht einmal annähernd so viele Daten vor. Es ist daher möglich, dass Erdbeben mit doppeltem Auslösermechanismus häufiger vorkommen als die Geologen glauben.
„Es könnte sein, dass wir durch bessere Bildgebung und Auflösung in Zukunft mehr davon erkennen können“, sagte Meng.
Erdbeben mit zwei Epizentren bergen ein höheres Risiko für stärkere Erschütterungen, da es stärkere Bewegungen gibt. Mengs Gruppe plant, zukünftige Szenarien zu untersuchen, um mehr über die Bedingungen und Wahrscheinlichkeiten dieser Erdbeben zu erfahren.
„Unsere Ergebnisse unterstreichen die komplexe Natur der Erdbebenentstehung und die kritischen Bedingungen, die zu großflächigen seismischen Ereignissen führen können“, sagte Meng. „Das Verständnis dieser Prozesse ist von entscheidender Bedeutung, um die Auswirkungen zukünftiger Erdbeben besser vorhersagen und abmildern zu können.“
Weitere Informationen:
Liuwei Xu et al., Dual-initiierte Brüche beim Noto-Erdbeben 2024, die eine Verwerfungsunebenheit an einer Schwarmkante umkreisen, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adp0493