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Im Juli 2024 stellte ein kräftiges Erdbeben mit Zentrum unter Calama im Norden Chiles langjährige Annahmen darüber in Frage, wie sich tiefe Erdbeben verhalten. Neue Forschungsergebnisse, geleitet von Wissenschaftlern der University of Texas at Austin, zeigen eine verborgene Abfolge von Prozessen innerhalb der subduzierenden Platte, die die Bodenerschütterungen an der Oberfläche deutlich verstärkt haben. Diese Erkenntnisse verändern das seismologische Verständnis von Zwischentiefenereignissen und könnten die Gefährdungsabschätzungen in Subduktionszonen weltweit beeinflussen.
Forscher, die das ungewöhnliche Calama-Erdbeben von 2024 untersuchten, entdeckten einen bisher wenig beachteten Mechanismus tief in der subduzierenden Schicht, der es der Bruchausbreitung erlaubte, deutlich stärker zu werden als für diese Tiefe zu erwarten war. Die Ergebnisse deuten auf thermische und mechanische Prozesse hin, deren Bedeutung für die seismische Gefährdung in Subduktionszonen neu bewertet werden muss.
Ein Bruch, der die Regeln brach
Die meisten der zerstörerischsten Erdbeben — wie das Mega-Thrust-Beben von 1960 mit Magnitude 9,5 vor der Küste Mittelchiles — entstehen nahe der Oberfläche an der Oberkante von Subduktionsrampen. Diese sehr flachen Megathrust-Ereignisse erzeugen meist die stärksten seismischen Schwingungen und Tsunamis. Das Calama-Ereignis begann jedoch in etwa 125 Kilometern Tiefe innerhalb der absinkenden tektonischen Platte, also in einem Bereich, der als Zwischentiefe (ca. 70–300 km) klassifiziert wird. Üblicherweise führen Zwischentiefe-Erdbeben zu vergleichsweise schwächeren Bodenbewegungen an der Oberfläche als flache Risse, doch das Magnitude-7,4-Erdbeben bei Calama entsprach nicht diesem Muster.
Der Erstautor Zhe Jia und sein Team analysierten seismische Wellenformen, GPS- beziehungsweise GNSS-abgeleitete Bodenbewegungen und umfangreiche numerische Modelle, um die Bruchdynamik mit bisher unerreichter Detaildichte zu rekonstruieren. Statt eines einzelnen, einfachen Versagensmechanismus deutet die Analyse darauf hin, dass sich die Bruchentwicklung während des Ereignisses veränderte: ein Übergang von der klassischen Dehydratationsversprödung zu einem von starker Reibungswärme dominierten Zustand, dem sogenannten thermischen Durchgehen (thermal runaway).
Zwei Mechanismen, ein starkes Erdbeben
Die Dehydratationsversprödung gilt als weitgehend anerkannte Erklärung für viele Zwischentiefe-Erdbeben. Beim Absinken der Platte steigen Druck und Temperatur an, wodurch gebundenes Wasser aus hydratmineralischen Strukturen in Mineralen freigesetzt wird. Das ausgetretene Wasser erhöht den Porendruck, schwächt das Gestein und begünstigt brüchiges Versagen selbst bei verhältnismäßig hohen Belastungen. Labor- und Modellstudien zeigen, dass dieser Mechanismus typischerweise bei Temperaturen bis etwa 650 °C wirksam ist; darüber verlieren hydratminerale Phasen ihre Stabilität oder sind bereits dehydriert, sodass die Dehydratationsversprödung normalerweise endet.
Ungewöhnlich beim Calama-Beben war, dass der Bruch nicht an der erwarteten thermischen Grenze stoppte. Vielmehr setzte sich die Bruchausbreitung um rund 50 Kilometer in heißere Zonen fort, in denen die Dehydratationsversprödung laut konventionellen Annahmen nicht mehr wirken sollte. Die Forschergruppe der UT Austin argumentiert, dass der initiale Bruch an seiner Spitze intensive Reibungswärme erzeugte; diese lokale Erwärmung verringerte kurzfristig die Gesteinsfestigkeit, wodurch eine Rückkopplung einsetzte: slip erzeugt Wärme, Wärme schwächt das Gestein, die Schwächung ermöglicht schnelleres Gleiten und somit zusätzliches Erwärmen — ein thermischer Runaway-Effekt. Dieses Zusammenspiel kann einen Bruch plötzlich und stark beschleunigen und so die Oberflächenschwingungen deutlich verstärken.
Eine Abbildung aus der Studie veranschaulicht die beiden im Papier beschriebenen Bruchmechanismen, Dehydratationsversprödung und thermischer Durchgang, sowie deren mögliche Rolle bei der Verstärkung des Calama-Erdbebens. Credit: Jia et al.
Wie Wissenschaftler die Geschichte rekonstruierten
Die Rekonstruktion eines tiefen Bruchs erfordert die Kombination unterschiedlicher Datensätze und Methoden. Das Forschungsteam nutzte hochauflösende seismische Aufzeichnungen aus chilenischen und internationalen Netzwerken, um die Geschwindigkeit und Richtung der Bruchausbreitung zu bestimmen. Zusätzlich wurden GNSS- und GPS-Daten eingesetzt, um die Verschiebung entlang der Störungszone und die Deformation der Kruste durch das Ereignis abzuschätzen. Solche In-situ-Beobachtungen liefern essentielle Randbedingungen für physikbasierte Modelle.
Ergänzend dazu führten die Wissenschaftler gekoppelte numerische Simulationen durch, die Elastizität, Reibungsverhalten, Wärmeentwicklung und mineralogische Zusammensetzung der Platte berücksichtigten. Diese Modelle ermöglichen Abschätzungen zu Temperaturverteilungen entlang der Bruchfläche, zu möglichen Phasenänderungen in hydratreichen Mineralen und zur Menge an freigesetzter Reibungswärme. Die Kombination aus Beobachtung und Modellierung ergab ein konsistentes Bild: Der Bruch beschleunigte deutlich beim Überschreiten einer thermischen Schwelle, was für den Übergang von einem dehydratationsgetriebenen zu einem thermisch getriebenen Schwächungsprozess spricht.
Ein Team der University of Texas at Austin und der Universidad de Chile wartete 2024 ein UTIG-Seismometer nahe Calama, Nordchile. Im Hintergrund ist die UT-Studentin Sabrina Reichert zu sehen, im Vordergrund der Forscher Bertrand J. M. Potin von der Universidad de Chile, Santiago. Credit: Thorsten Becker/UT Austin
Diese integrierte Herangehensweise zeigte einen Bruch, der sich deutlich beschleunigte und ungewöhnlich schnell fortschritt, als er in heißere Schichten der Platte eindrang — ein Befund, der konsistent ist mit einem Mechanismuswechsel von einer Dehydratationsversprödung hin zu thermisch bedingter Schwächung. Als Folge kam es zu stärkeren Bodenerschütterungen an der Oberfläche, als man für ein Ereignis in jener Tiefe erwartet hätte. Solche Beobachtungen ändern die Erwartungshaltung gegenüber Zwischentiefe-Beben und legen nahe, dass einige dieser Ereignisse ein größeres Schadpotenzial haben können, wenn thermische Prozesse eine Rolle spielen.
Warum die Erkenntnis für die seismische Gefährdung wichtig ist
Die Schlussfolgerung ist eindeutig: Zwischentiefe-Erdbeben sind nicht per se harmlos. Wenn ein Bruch thermisches Durchgehen auslösen kann, erhöht sich sein Potenzial, starke Bodenbewegungen zu erzeugen. Für Chile — eines der seismisch aktivsten Länder der Erde — bedeutet dies, dass Gefährdungsmodelle und Notfallpläne nicht nur den Ursprungsort eines Bebens berücksichtigen sollten, sondern auch die mögliche Entwicklung des Bruchmechanismus in der Tiefe.
"Diese chilenischen Ereignisse verursachen mehr Erschütterungen, als man normalerweise von Zwischentiefe-Erdbeben erwartet, und können durchaus zerstörerisch sein", erklärte Jia in der Publikation. Er und Co-Autor Thorsten Becker hoben den praktischen Nutzen der Studie hervor: Verfeinerte Bruchmodelle können die Resilienz kritischer Infrastruktur verbessern, die Kalibrierung von Frühwarnsystemen unterstützen und Prioritäten für schnelle Einsätze nach einem Ereignis gezielter setzen.
Expertinnen- und Experteneinschätzung
"Der Fall Calama zeigt, wie dynamisch die Prozesse in der Tiefe der Erde sein können", sagt Dr. Elena Márquez, Seismologin am Southern Andes Geoscience Institute. "Wir neigen dazu, die Tiefe als Indikator für die Gefährdung zu verwenden, aber der Mechanismus spielt eine entscheidende Rolle. Wenn sich ein Bruch selbst aufheizen und in thermisches Durchgehen übergehen kann, verändert sich das wirksame Gefährdungsprofil. Diese Forschung liefert uns prüfbare Signaturen, nach denen wir in anderen Subduktionszonen suchen können."
Weiterreichende Implikationen und nächste Schritte
Die neue Studie wirft mehrere Fragen auf, die künftige Forschung adressieren sollte. Wie häufig sind Mechanismuswechsel wie beim Calama-Ereignis? Welche Zusammensetzungen der Platte, welche thermischen Profile oder Spannungszustände begünstigen thermisches Durchgehen? Antworten auf diese Fragen erfordern eine dichtere seismische und GNSS-Überwachung, gezielte Laboruntersuchungen zur Reibung von Gesteinen bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen sowie weiterentwickelte thermo-mechanische Bruchsmodelle, die gekoppelte Wärme-Mechanik-Prozesse realistisch abbilden.
Für Entscheidungsträger und Ingenieure lautet die Kernbotschaft: Seismische Gefährdungsbewertungen sollten ein erweitertes Spektrum an Bruchphysik einbeziehen. Konkret bedeutet dies, Bauvorschriften und Katastrophenschutzpläne in Regionen mit potenziellen Zwischentiefe-Beben zu prüfen und die Überwachung in Gebieten mit hydratreichen subduzierenden Platten und steilen Temperaturgradienten zu intensivieren. Solche Maßnahmen können die Resilienz gegenüber unerwartet starken Erschütterungen erhöhen.
Man kann sich eine künftige Gefahrenkarte vorstellen, die nicht nur markiert, wo Erdbeben entstehen, sondern auch, in welchen Tiefen und entlang welcher Abschnitte der Bruch in einen gefährlicheren Zustand übergehen könnte. Das Calama-Erdbeben mahnt uns: Prozesse im tiefen Erdinneren können überraschen, und die beste Vorbeugung ist verbesserte Wissenschaft gepaart mit gezielter Vorbereitung.
Quelle: scitechdaily
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