Das Problem bei großen Erdbeben ist, dass ihre unterirdischen Wurzelsysteme Jahrhunderte oder Jahrtausende lang lauern können, bevor sie genug Energie aufbauen, um zu explodieren. Unter vielen Orten trifft dies auf die Gegend von New York City zu, wo Wissenschaftler glauben, dass große Beben möglich sind – aber wahrscheinlich so selten, dass es schwer ist, genau zu sagen, wie oft sie auftreten oder wie groß sie sein könnten.
Erst in den 1970er Jahren begannen Forscher, die Seismizität der Region eingehend zu untersuchen. Sie haben viele bisher unbekannte Verwerfungen kartiert und jedes Jahr Dutzende winziger Beben beobachtet, von denen die meisten zu klein sind, um sie zu spüren. Das größte moderne Beben mit einer Stärke von 4,1 in einem Vorort von Westchester County im Jahr 1985 richtete wenig Schaden an. Alte schriftliche Aufzeichnungen deuten jedoch darauf hin, dass Beben mit einer Stärke von etwa 5 New York und Umgebung in den Jahren 1737 und 1884 erschütterten. Diese rissen Schornsteine ein, brachen Mauern ein und erschütterten den Boden vom oberen Neuengland bis nach Virginia. Heute könnte ein vergleichbares Ereignis der stark gewachsenen Bevölkerung und Infrastruktur der regionalen Megalopolis großen Schaden zufügen. Darüber hinaus, basierend auf der Größe bekannter Verwerfungen und der Häufigkeit kleiner Beben entlang ihnen, Einige Forscher haben eine Schätzung extrapoliert dass ein Beben der Stärke 6 die Region alle 700 Jahre treffen könnte und ein Beben der Stärke 7 alle 3.400 Jahre. Eine Magnitude 6 ist 10-mal stärker als die Ereignisse von 1737 und 1884 und eine Magnitude 7 100-mal stärker.
Aber das ist nur eine Extrapolation. Gab es hier tatsächlich jemals Beben dieser Größenordnung? Niemand weiß. William Menke, Geologe und Seismologe am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia Climate School, möchte es herausfinden.
Kürzlich besuchte Menke mit einem Studentenpraktikanten den Harriman State Park, etwa 30 Kilometer nördlich von Manhattan. Unweit des Vorstadtcampus von Lamont-Doherty beherbergt das bergige, 47.500 Hektar große Reservat zahlreiche riesige Felsbrocken, die während der letzten Eiszeit von Gletschern aus dem Grundgestein gepflückt und dann beim Schmelzen des Eises heruntergefallen sind. Einige sind unsicher auf der einen oder anderen unregelmäßigen Oberfläche ausbalanciert, vermutlich noch in ihrer ursprünglichen Position. Menkes Mission: Berechne, wie viel Kraft nötig wäre, um sie umzukippen. Wenn sie noch stehen, würde dies darauf hindeuten, dass es seit dem Ende der Eiszeit vor weit über 10.000 Jahren kein Erdbeben dieser Größe mehr gegeben hat.
„Dies würde zumindest eine Obergrenze für mögliche Bodenbewegungen setzen“, sagte der 67-jährige Wissenschaftler eines Morgens, als er einen 40-Pfund-Rucksack mit Ausrüstung einen kurvenreichen, felsigen Pfad hinaufschleppte. Sonne und Schatten fielen durch die hohen Bäume. „Im Laufe der Jahre haben Menschen versucht, diese Methode an anderen Orten anzuwenden, und ich dachte, wir sollten es im Nordosten versuchen.“
Menke bezeichnet sich selbst als „im Grunde ein Data Scientist“. Seit er seinen Ph.D. in Lamont im Jahr 1982 hat er mathematische Daten verwendet, um eine Vielzahl von Umweltfragen zu beleuchten, darunter die Ausbreitung seismischer Wellen und die Struktur der Erdkruste und des Erdmantels. Als begeisterter Wanderer, Kajakfahrer, Fotograf und vielseitiger Naturbeobachter hat ihn seine Feldforschung von Kalifornien nach Island und zu Schiffen im Pazifischen Ozean geführt. Heute hält er sich weitgehend näher an seiner Heimat auf, wo er das Terrain seit Jahrzehnten durchquert.
Menke und sein Praktikant Charles McBride waren auf dem Weg, um Felsbrocken an einem zuvor ausgewählten Standort am Black Rock Mountain zu untersuchen, eine einstündige Wanderung von der nächsten Straße entfernt. Der Standort ist nur drei Meilen von der Ramapo-Verwerfung entfernt, einem 185 Meilen langen Merkmal, das Pennsylvania, New Jersey und den südlichen Bundesstaat New York durchschneidet und mitten durch den Park schneidet. Es erzeugt viele der kleinen Erdbeben in der Region und könnte ein wichtiger Kandidat für die Erzeugung vergangener großer Erdbeben sein.
Unterwegs hielt Menke an, um blühende Berglorbeerflecken zu bewundern, und hielt verhalten Ausschau nach Klapperschlangen. „So viele Klapperschlangen sieht man nicht. Ich habe nur acht gesehen, und das alles in den letzten acht Jahren“, sagt Menke.
Die Erforschung vergangener Erdbeben wird als Paläoseismologie bezeichnet. Seine Praktiker studieren vielleicht Berichte aus alten Zeitungen, Tagebüchern und Geschichten, aber an vielen Orten, einschließlich des Nordostens der USA, reichen diese nur wenige hundert Jahre zurück – nicht weit genug, um ein wirklich langfristiges Bild zu zeichnen.
Um in die Vorgeschichte vorzudringen, heben einige Paläoseismologen einen Graben aus (oder warten besser darauf, dass jemand ein Hausfundament aushebt) und beobachten, ob sich vergrabene Erdschichten gegeneinander verschoben haben. Dies deutet auf eine vergangene Bewegung hin, die mit Hilfe von Kohlenstoffisotopen datiert werden kann. Im Nordwesten der USA haben Forscher Ringe von längst abgestorbenen Bäumen verwendet, um Erdbeben zu lokalisieren, die sie in Seen oder Salzwassersümpfe fallen ließen und sie töteten. Eine Studie Anfang dieses Jahres von einigen Lamont-Kollegen von Menke verwendeten Variationen in der Chemie alter Gesteine zwei Meilen unter der Oberfläche, um zu zeigen, dass ein angeblich ruhiger Abschnitt der San-Andreas-Verwerfung in der Vergangenheit größere Beben erlebt hat.
Das Studium prekär gelagerter Felsbrocken und ähnliche Features ist noch jung. In den frühen 1990er Jahren begann der in Kalifornien ansässige Geologe James Brune mit der Vermessung von prekärem Gestein. Er erhielt seine erste Bestätigung 1999 in der Mojave-Wüste, als ein Erdbeben der Stärke 7,1 mehrere stürzte, die er zuvor als anfällig ins Visier genommen hatte. Wissenschaftler im Westen der Vereinigten Staaten begannen, andere sogenannte zerbrechliche geologische Merkmale auf das Potenzial der Paläoseismologie zu untersuchen: Meeresstapel entlang der Pazifikküste (schlanke Felstürme, die durch Wellenerosion herausgearbeitet wurden); Wüsten-Hoodoos (Felsspitzen, deren Basen oder Mitten vom Wind gefährlich untergraben wurden); Tufftürme (bröcklige Kalksteinfelsen, die durch chemische Prozesse unter Wasser in ehemaligen Seen entstanden sind und jetzt ausgetrocknet sind). Wissenschaftler in Australien und dem erdbebengefährdeten Neuseeland haben ähnliche Untersuchungen durchgeführt.
In Kalifornien haben einige Forscher gezeigt, dass Strukturen, die durch prähistorische Beben hätten umgestürzt werden sollen, die von Computermodellen vorhergesagt wurden, die denen in New York ähnlich sind, noch bestehen. Dies deutet darauf hin, dass Standard-Dämpfungskurven – Berechnungen, wie oft und wie stark der Boden erzittert – die langfristigen Gefahren zumindest an einigen Stellen übertreiben könnten.
„Man könnte sagen, dass das teilweise eine gute Nachricht ist“, sagte Menke. Auf der anderen Seite, sagte er, „gibt es einige Wissenslücken.“ Die im Allgemeinen lockeren, zerklüfteten Felsen im erdbebengefährdeten Kalifornien sind tatsächlich ziemlich schlecht darin, seismische Wellen an die Oberfläche zu übertragen, und können daher Erdbeben dämpfen. Die Region New York hingegen ist größtenteils von harten metamorphen Gesteinen unterlagert, die wie eine Glocke klingen können. Das bedeutet, dass kleinere Beben in dieser Region zu größeren Bodenbewegungen führen könnten. „Die kalifornischen Kurven sind für unsere Arbeit nicht anwendbar“, sagte er.
Als Menke und McBride den Berg hinaufstiegen, veränderte sich die Landschaft zu einer Art wogender Halbtundra. Bäume schrumpften zu vom Wind verwehten Sträuchern. Kuppeln aus nacktem Gneis und Grundgestein aus Granit besetzten hohe Stellen, wo Eis, das vor langer Zeit aus dem Norden kam, die Oberfläche scheuerte und das Pflanzenleben nie zurückgekehrt ist. Riesige Felsbrocken waren verstreut.
Eine Studie eines Lamont-Kollegen von Menke, die das anfängliche Vorhandensein von Pollen aus den Böden von Mooren nutzte, besagt, dass diese Felsbrocken vor etwa 14.000 Jahren von schmelzendem Eis abgeworfen wurden. Ein anderer Kollege, der stattdessen chemische Isotope in Gesteinsoberflächen gemessen hat, sagt, es sei eher wie vor 22.000 Jahren gewesen. Die Verwendung prekärer Felsbrocken in der Paläoseismologie ist ein einfaches Konzept – aber die Ausführung ist komplex. Das Fehlen eines klaren Ursprungsdatums für die Positionen von Felsbrocken ist eine von vielen Unsicherheiten.
Um zumindest eine Ungewissheit zu verringern, suchten Menke und McBride nach Felsbrocken, die zu groß waren, um von Menschenhand bewegt worden zu sein, und waren bei einer früheren Erkundung sozusagen schnell auf Pay Dreck gestoßen. Entlang des Weges wies Menke auf mehrere Riesen hin, die er untersuchen wollte. Einer, etwa so groß wie ein ultrakompaktes Auto, ruhte auf einem schlanken Sockel, dessen eine Seite einen breiten, überhängenden Unterstand bildete, in dem Aschenhaufen zeigten, dass Passanten Lagerfeuer gemacht hatten. Ein weiterer, viel größerer, schwankte am schrägen Rand einer Felskuppel. „Sehen Sie, ein Teil seiner Unterseite ist nur Luft“, sagte Menke. „Wenn du es schüttelst, könnte es leicht in die Bäume rutschen, aber das ist es nicht. Noch nicht.“
Menke suchte auch das Gebiet nach freigelegten Erdbebenverwerfungen ab, gab jedoch zu, dass er nichts schlüssiges gesehen hatte. An einer Stelle wies er auf einen verschnörkelten, 20 Fuß langen Riss im Grundgestein hin. Es sah so aus, als hätten Mineralien vor langer Zeit die Leere gefüllt, die einst existiert hatte. Er spekulierte, dass es sich um eine kleine Verwerfung handeln könnte, die sich vor Millionen von Jahren im Untergrund gebildet hatte. Oder vielleicht war es nur ein einfacher alter Riss.
Kurz darauf tauchten Menke und McBride in einem Gipfelbereich auf, der hauptsächlich aus nacktem, zu Tage tretendem Gneis bestand. Ein Haufen unsicher aussehender Felsbrocken war verstreut. Sie näherten sich einem vage eiförmigen Granitbrocken, etwa vier Fuß hoch, der auf einem seiner schmalen Enden ruhte. Menke schätzte, dass es ungefähr 3 Tonnen wog. Er vermutete, dass es herausgerissen worden war, indem es Eis aus einer Entfernung von vielleicht drei oder vier Meilen bewegt hatte, bevor es hier gelandet war. Dies sollte heute ihr Hauptsteinbruch sein.
Bisher haben die meisten Forscher Handmessungen verwendet, um die Masse und Stabilität solcher Felsbrocken zu berechnen; Einige haben versucht, Steine mit mechanischen Mitteln leicht zu wackeln, um ein Gefühl für ihr Gleichgewicht zu bekommen. Menke verfolgte einen neueren Ansatz: die Photogrammetrie, die Erstellung eines 3D-Modells eines Objekts durch zahlreiche Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln. Die Fotos werden dann in ein Computermodell eingespeist, das verwendet werden kann, um die Masse des Felsbrockens, die Gewichtsverteilung, die Gleichgewichtspunkte und die Kräfte verschiedener Art und Größenordnung, die ihn lösen könnten, zu berechnen. Menke erwog einen weiteren Schritt: Mit den Daten physische Nachbildungen von Felsbrocken zu drucken, die er dann im Labor verschiedenen Arten von Schütteln aussetzen könnte, um zu sehen, was passiert.
Nach einem schnellen Mittagessen machten sich Menke und McBride daran, auf dem Grundgestein einen Kreis aus 16 gleichmäßig verteilten Punkten 20 Fuß vom Felsbrocken entfernt zu zeichnen. Von hier aus planten sie, eine erste Reihe von Fotos zu machen, die sich alle auf die gleiche Höhe des Felsbrockens im Verhältnis zum Boden konzentrierten. Mehrere dieser Fotokreise in verschiedenen Entfernungen würden in die Erstellung des 3D-Modells einfließen. Nach ein paar Fehlstarts fingen sie an, Fotos mit Menkes Canon zu machen, deren Höhe für jede Aufnahme sorgfältig auf einem Stativ kalibriert wurde.
Es dauerte ziemlich lange, bis alles für jeden Schuss ausgerichtet war. Eine glühende Mittagssonne brannte herunter und wurde von der Felsoberfläche und von Menkes nacktem Kopf reflektiert, aber Menke und McBride schienen es nicht zu bemerken. McBride hielt ein- oder zweimal an, um einen Schluck Wasser zu trinken, aber das waren fast die einzigen Pausen.
Sie dauerten bis 4:30 Uhr, zu welcher Zeit die Sonne mit voller Wucht weiter brannte. Bis dahin hatte das Paar noch nicht einmal den ersten Kreis im gewünschten Detail vollendet. Sie nahmen ein paar Abkürzungen, um mehr Aufnahmen zu machen. Menke setzte sich schließlich auf einen nahe gelegenen, unpräkären Felsbrocken, während McBride zusammenpackte. „Nun, wir hinken etwas hinterher, aber das reicht für einen Tag“, sagte er. „Mit Übung werden wir definitiv schneller.“
Die Fotos seien ohnehin nur der Anfang, sagte er. Die eigentliche Arbeit würde darin bestehen, zu modellieren, welche Art von Bodenbewegungen Erdbeben hier in der Nähe hervorrufen könnten, aus welchen Richtungen und aus welcher Entfernung sie kommen könnten und wie dieser spezielle Felsbrocken reagieren würde. Dies war natürlich nur der erste von vielen Felsen.
Auf dem Rückweg machte Menke an einem besonders spektakulären Berglorbeerfeld Halt. Er zückte sein Handy und machte ein Panorama der blühenden Sträucher – eine Art lebendiges Fotogramm. „Wir haben hier oben viel Zeit. Diese Blumen halten nur ein paar Tage“, sagte er. Er steckte das Handy wieder in die Tasche, grinste und ging den Weg hinunter.
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