Neue Erkenntnisse stellen traditionelle Überzeugungen über die Ursache von Erdbeben in Frage

5. Juni 2024

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von Brown University

Durch eine genauere Untersuchung der geometrischen Zusammensetzung von Gestein, in dem Erdbeben entstehen, fügen Forscher der Brown University einer lange vertretenen Überzeugung darüber, was seismische Beben überhaupt verursacht, eine neue Facette hinzu.

Die Arbeit, die im Journal Nature beschrieben wird, zeigt, dass die Art und Weise, wie Störungsnetzwerke ausgerichtet sind, eine entscheidende Rolle dabei spielt, wo ein Erdbeben stattfinden wird und wie stark es sein wird.

Die Ergebnisse stellen die traditionellere Vorstellung in Frage, dass hauptsächlich die Art der Reibung an diesen Verwerfungen darüber bestimmt, ob Erdbeben entstehen oder nicht. Sie könnten das aktuelle Verständnis davon, wie Erdbeben funktionieren, verbessern.

"Unser Artikel zeichnet ein sehr anderes Bild davon, warum Erdbeben entstehen", sagte der Brown-Geophysiker Victor Tsai, einer der Hauptautoren des Artikels. "Und das hat sehr wichtige Implikationen dafür, wo man Erdbeben erwarten kann und wo nicht, und auch für die Vorhersage, wo die schwersten Erdbeben stattfinden werden."

Fehlerlinien sind die sichtbaren Grenzen auf der Erdoberfläche, an denen die starren Platten, die die Lithosphäre der Erde ausmachen, aneinander reiben. Tsai sagt, dass Geophysiker jahrzehntelang Erdbeben so erklärt haben, dass die Spannung an den Verwerfungen zunimmt, bis die Verwerfungen sich schnell gegeneinander verschieben oder brechen, wodurch aufgestaute Druck in einer Aktion, bekannt als Stock-Schub-Verhalten, freigesetzt wird.

Die Forscher vermuten, dass der schnelle Schubs und die intensiven Bewegungen des Bodens, die danach folgen, auf instabile Reibung zurückzuführen ist, die an den Verwerfungen auftreten kann. Im Kontrast dazu geht man davon aus, dass, wenn die Reibung stabil ist, die Platten dann langsam aneinander vorbeigleiten, ohne ein Erdbeben zu verursachen. Diese stetige und sanfte Bewegung ist auch als Kriechen bekannt.

"Die Leute haben versucht, diese Reibungseigenschaften zu messen, um zu bestimmen, ob die Fehlerzone instabile oder stabile Reibung aufweist und dann, basierend auf Laboruntersuchungen davon, zu versuchen vorherzusagen, ob es dort ein Erdbeben geben wird oder nicht", sagte Tsai.

"Unsere Ergebnisse legen nahe, dass es relevanter sein könnte, die Geometrie der Verwerfungen in diesen Verwerfungsnetzwerken zu betrachten, weil es die komplexe Geometrie der Strukturen um diese Grenzen herum sein könnte, die dieses instabile versus stabile Verhalten erzeugt."

Die zu betrachtende Geometrie beinhaltet Komplexitäten in den zugrundeliegenden Gesteinsstrukturen wie Biegungen, Lücken und Stufenversätze. Die Studie basiert auf mathematischer Modellierung und der Untersuchung von Fehlerzonen in Kalifornien mit Daten aus der Quaternary Fault Database des U.S. Geological Survey und der California Geological Survey.

Das Forschungsteam, zu dem auch der Doktorand der Brown University, Jaeseok Lee, und der Geophysiker Greg Hirth gehören, bietet ein detaillierteres Beispiel, um zu veranschaulichen, wie Erdbeben entstehen. Sie erklären, dass man sich die Verwerfungen, die aneinander reiben, so vorstellen sollte, als hätten sie gezackte Zähne wie die Kante einer Säge.

Wenn es weniger Zähne gibt oder die Zähne nicht so scharf sind, gleiten die Gesteine glatter aneinander vorbei, was Kriechen ermöglicht. Wenn jedoch die Gesteinsstrukturen in diesen Fehlern komplexer und gezackter sind, verfangen sich diese Strukturen ineinander und klemmen fest. Wenn dies passiert, baut sich Druck auf und schließlich, während sie stärker und stärker ziehen und drücken, brechen sie, reißen voneinander weg und führen zu Erdbeben.

Die neue Studie baut auf früheren Arbeiten auf, die untersucht haben, warum manche Erdbeben im Vergleich zu anderen Erdbeben in verschiedenen Teilen der Welt, manchmal sogar solchen mit ähnlicher Stärke, mehr Bodenbewegung verursachen.

Die Studie zeigte, dass das Zusammenstoßen von Blöcken innerhalb einer Fehlerzone während eines Erdbebens beträchtlich zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen beiträgt und die Vorstellung aufkommen ließ, dass vielleicht auch die geometrische Komplexität unter der Oberfläche eine Rolle dabei spielt, wo und warum Erdbeben entstehen.

Bei der Analyse von Daten von Fehlerzonen in Kalifornien - einschließlich der bekannten San-Andreas-Verwerfung - stellten die Forscher fest, dass Fehlerzonen, die eine komplexere Geometrie darunter aufweisen, d. h. die Strukturen dort waren nicht so ausgerichtet, stärkere Bodenbewegungen aufwiesen als weniger geometrisch komplexe Fehlerzonen. Dies bedeutet auch, dass einige dieser Zonen stärkere Erdbeben haben würden, andere schwächere und einige gar keine.

Die Forscher haben dies auf der Grundlage der durchschnittlichen Verschiebung der von ihnen analysierten Fehler bestimmt. Dieses Fehlausrichtungsverhältnis misst, wie eng die Fehler in einer bestimmten Region ausgerichtet sind und alle in dieselbe Richtung gehen, im Vergleich zu vielen verschiedenen Richtungen.

The analysis revealed that fault zones where the faults are more misaligned cause stick-slip episodes in the form of earthquakes. Fault zones where the geometry of the faults were more aligned facilitated smooth fault creep with no earthquakes.

'Understanding how faults behave as a system is essential to grasp why and how earthquakes happen,' said Lee, the graduate student who led the work.

'Our research indicates that the complexity of fault network geometry is the key factor and establishes meaningful connections between sets of independent observations and integrates them into a novel framework.'

The researchers say more work needs to be done to fully validate the model, but this initial work suggests the idea is promising, especially because the alignment or misalignment of faults is easier to measure than fault frictional properties. If valid, the work can one day be weaved into earthquake prediction models.

That remains far off for now as the researchers begin to outline how to build upon the study.

'The most obvious thing that comes next is trying to go beyond California and see how this model holds up,' Tsai said. 'This is potentially a new way of understanding how earthquakes happen.'

Journal information: Nature

Provided by Brown University