In den letzten Monaten des Jahres 2018 erschütterten zwei der stärksten tiefen Erdbeben, die jemals in der Menschheitsgeschichte verzeichnet wurden, die Tonga-Fidschi-Region im Südpazifik.
In der allerersten Studie über diese tiefen Erdbeben – allgemein definiert als jedes Erdbeben, das 350 Kilometer oder mehr unter der Erdoberfläche auftritt – charakterisierte ein Forschungsteam unter der Leitung der Florida State University diese bedeutenden seismologischen Ereignisse und enthüllte neue und überraschende Informationen über die mysteriösen, sich ständig veränderndes Interieur.
Die Ergebnisse des Teams, die in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurden, beschreiben die komplexen geologischen Prozesse, die für die Erdbeben verantwortlich sind, und legen nahe, dass die erste starke Störung tatsächlich die zweite ausgelöst haben könnte.
„Wir haben diese Art von großen Erdbeben nicht allzu oft“, sagte Studienautor Wenyuan Fan, ein Erdbebenseismologe am Department of Earth, Ocean and Atmospheric Science der FSU. „Diese tiefen Erdbeben, insbesondere größere Erdbeben, werden nicht wirklich durch die Umgebung gefördert. Warum passiert das? Es ist eine zwingende Frage, die man sich stellen muss.“
Während tiefe Erdbeben auf der Erdoberfläche selten zu spüren sind, kann die Untersuchung dieser gigantischen Ereignisse den Forschern helfen, die Systeme und Strukturen der inneren Erde besser zu verstehen.
Aber die genauen Mechanismen tiefer Erdbeben waren Erdbebenwissenschaftlern lange Zeit ein Rätsel. Die extremen Temperatur- und Druckbedingungen der tiefen Erde eignen sich nicht für die Art von mechanischen Prozessen, die typischerweise für Erdbeben verantwortlich sind – nämlich die Bewegung und das plötzliche Verrutschen großer Platten.
Stattdessen hält der außergewöhnliche Druck die Dinge fest an Ort und Stelle, und die steigenden Temperaturen bewirken, dass sich felsiges Material wie Schokolade verhält – es bewegt sich zähflüssig statt wie Eiswürfel, wie es auf der flachen Oberfläche zu sehen ist.
„Wir haben nicht mit tiefen Erdbeben gerechnet“, sagte Fan. „Das darf nicht passieren. Aber wir haben Beobachtungen von tiefen Erdbeben. Warum also? Wie? Welche physikalischen Prozesse laufen unter solchen Bedingungen ab?“
Mithilfe fortschrittlicher Wellenformanalysen stellten Fan und sein Team fest, dass das erste Beben – ein Ungetüm mit einer Stärke von 8,2 und damit das zweitgrößte je aufgezeichnete tiefe Erdbeben – das Produkt zweier unterschiedlicher physikalischer Prozesse war.
Sie fanden heraus, dass das Erdbeben in einer der seismisch wichtigen Platten der Region begann, einem Teil einer tektonischen Platte, die unter eine andere subduziert wurde. Plattenkerne sind kühler als ihre kochend heiße Umgebung und daher anfälliger für Erdbebennukleation.
Sobald sich das Erdbeben im Plattenkern zu bilden begann, breitete es sich in die wärmere und duktilere Umgebung aus. Diese Ausbreitung nach außen bewegte das Erdbeben von einem mechanischen Prozess zum anderen.
„Das ist interessant, weil vorher angenommen wurde, dass Tonga überwiegend nur eine Art von Mechanismus hat, der sich innerhalb des Kaltplattenkerns befindet“, sagte Fan. „Aber wir sehen tatsächlich, dass mehrere physikalische Mechanismen beteiligt sind.“
Das Ausbreitungsmuster mit zwei Mechanismen, das bei dem Erdbeben der Stärke 8,2 vorhanden war, war für Fan und sein Team nicht völlig überraschend. Der Prozess erinnerte an ein ähnlich starkes Beben der Stärke 7,6, das die Region 1994 erschütterte. Diese erkennbaren Muster waren ein vielversprechendes Zeichen.
„Zu sehen, dass etwas vorhersehbar ist, wie die wiederholten Muster, die beim Erdbeben der Stärke 8,2 beobachtet wurden, ist sehr befriedigend“, sagte Fan. „Das weckt die Hoffnung, dass wir etwas über dieses System wissen.“
Aber das zweite Erdbeben, das 18 Tage nach dem ersten stattfand, war eher ein Rätsel. Die Erschütterung der Stärke 7,9 ereignete sich in einem Gebiet, das zuvor sehr wenig seismischer Aktivität ausgesetzt war. Die ausgeprägten physikalischen Mechanismen des zweiten Bebens hatten mehr Ähnlichkeiten mit tiefen Erdbeben in Südamerika als mit den massiven Beben, die den Südpazifik erschüttern. Und was Forscher verwundert, dass das Erdbeben der Stärke 7,9 im Vergleich zu seiner beträchtlichen Größe überraschend wenige Nachbeben hervorrief.
Irgendwie, sagte Fan, wurde in einer zuvor aseismischen Region ein großes Erdbeben ausgelöst, das sich dann sofort wieder normalisierte.
Es ist dieser auslösende Prozess, der Fan in Zukunft am meisten interessiert. Er sagte, dieses Erdbeben-„Dublett“ zeige die dynamische und miteinander verbundene Natur von Prozessen in der Tiefe der Erde und die dringende Notwendigkeit, besser zu verstehen, wie diese komplizierten Prozesse ablaufen.
„Es ist wichtig, dass wir uns mit der Frage befassen, wie große Erdbeben andere große Erdbeben auslösen, die nicht weit entfernt sind“, sagte er. „Dies ist ein guter Beweis dafür, dass physikalische Prozesse beteiligt zu sein scheinen, die noch unbekannt sind. Wir haben allmählich gelernt, das Muster zu erkennen, aber noch nicht in dem Maße, in dem wir genau wissen, wie es funktioniert. Ich denke, das ist wichtig für jede Art von Gefahrenprognose. Es ist mehr als ein intellektuelles Interesse. Es ist wichtig für die menschliche Gesellschaft.“