Sonne und Mond können langsame Erdbeben durch Resonanz auslösen

Kosmisch betrachtet lässt sich die Erde mit einer planetaren Marionette vergleichen, die an den Gravitationsfäden von Sonne und Mond „gezogen“ wird.

Natürlich übt auch der gesamte übrige Kosmos Einfluss aus. Doch vor allem die lunisolare Wirkung sorgt für unsere Gezeiten in den Ozeanen – und sie verursacht ebenso Gezeitenbewegungen in festem Boden und Gestein.

Während Sonne und Mond die Erdkruste diesen geringen, aber kontinuierlichen Gezeitenspannungen aussetzen, wurde beobachtet, dass sie schleichende „langsame Erdbeben“ auslösen können. Diese geben ihre Energie wesentlich langsamer ab als gewöhnliche Beben und bleiben für uns Menschen an der Oberfläche unmerklich.

Wie genau dies geschieht, war bislang allerdings weitgehend rätselhaft.

Neue Modellierungen deuten nun darauf hin, dass Resonanz der Mechanismus sein könnte: vergleichbar damit, mit einem nassen Finger über den Rand eines Weinglases zu streichen und dadurch ein harmonisches – oder störendes – Klingeln zu erzeugen, allerdings im planetaren Maßstab.

Gezeitenkräfte und langsame Erdbeben

In einer im Fachjournal JGR Solid Earth veröffentlichten Studie modellierte ein Team aus Geo- und Planetenwissenschafterinnen und -wissenschaftern diese Gezeitenstörungen. Das Ergebnis: Schon geringe Einwirkungen können weitreichende Folgen haben.

„Obwohl diese Spannungen sehr gering sind, typischerweise in der Größenordnung einiger Kilopascal und vergleichbar mit dem Druck eines sanften Händedrucks, wurde beobachtet, dass sie auf manchen Störungen langsame Erdbeben auslösen“, erklären die Forschenden.

Sie untersuchten mithilfe von Simulationen mit einem Feder-Block-Modell und einer geschwindigkeits- und zustandsabhängigen Reibung, wie tektonische Plattengrenzen gleiten, rutschen und aneinander reiben.

Ohne Fachsprache der Erdbebenforschung ausgedrückt, handelt es sich dabei um ein vereinfachtes Modell eines einzelnen Abschnitts einer Verwerfung. Es berücksichtigt außerdem den fortlaufend wechselnden Reibungswiderstand an einer Störungsfläche. Dieser hängt von zwei Faktoren ab: von der Geschwindigkeit (Rate) und von der Art, wie die Flächen miteinander in Kontakt stehen (Zustand).

Dass bereits das Äquivalent eines Klopfers auf den Rücken seismische Ereignisse anstoßen kann, hängt auch von der modellierten Art der Störung ab: Sie gleitet mit stabiler Geschwindigkeit, kann jedoch leicht aus ihrer „Komfortzone“ gebracht werden.

Steigt ihre Geschwindigkeit, nimmt die Reibung an der Grenzfläche der Verwerfung ab. Dadurch kann sich das Gleiten verstärken – im Modell ausreichend, um neben langsamen auch „schnelle“ Gleitereignisse hervorzurufen.

Welche Art von Erdbeben letztlich entsteht, richtet sich den Forschenden zufolge nach den relativen Reibungseigenschaften der Störung und ihrer Reaktion auf zwei zentrale Faktoren: die Amplitude (Stärke) sowie die Periode (Dauer) der Gezeitenstörung.

Resonanz an tektonischen Plattengrenzen

Diese Faktoren können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Bei geringer Amplitude der Gezeitenkräfte kann eine Verwerfung weiterhin langsam und geräuschlos gleiten.

Überschreitet die Amplitude jedoch einen Schwellenwert – und liegt die Periode im passenden Bereich –, kann die Störung ins Rutschen geraten und Erschütterungen verursachen.

Die Dauer einer Gezeitenstörung kann seismische Aktivität auslösen, wenn sie mit der „natürlichen Reaktionszeitskala“ einer Verwerfung übereinstimmt. Gemeint ist die Zeit, die sie benötigt, um auf Belastungen an ihrer Grenzfläche zu reagieren und Eigenschaften wie die Reibung zu verändern, also Rate-and-State.

Diese Resonanz kann selbst bei einer schwachen Störung ein langsames Ereignis anstoßen, „ähnlich wie das Anschubsen einer Schaukel im richtigen Rhythmus sie höher schwingen lässt“, so die Forschenden.

Die Auswirkungen können vorhersehbar sein und mit Beobachtungen in der realen Welt übereinstimmen. Dazu zählen etwa die Erschütterungen im Südwesten Japans und in Cascadia im pazifischen Nordwesten, deren Häufigkeit oft im Takt der Gezeiten in Abständen von ungefähr 12 und 24 Stunden ihren Höhepunkt erreicht.

Störungen können allerdings auch zeitlich komplexe seismische Aktivität hervorrufen, die chaotischer und weniger vorhersagbar ist.

Drei Zeitmuster gezeitenbedingter Erdbeben

Abschließend untersuchten die Forschenden drei mögliche zeitliche Muster von durch Gezeiten ausgelösten seismischen Ereignissen.

Erstens: Werden seismische Ereignisse beim Maximum der Gezeitenspannung ausgelöst, also dann, wenn die Gezeitenkraft ihre größte Stärke erreicht?

Zweitens: Treten sie nahe der maximalen Rate der Gezeitenbelastung auf, wenn der Druck durch die Gezeitenkraft am schnellsten ansteigt?

Oder ereignen sie sich womöglich zufällig, ohne ein bestimmtes Gezeitenmuster?

Das Modell legt nahe, dass beide Szenarien zutreffen können. Entscheidend sind jedoch der Zeitpunkt im Gezeitenzyklus und die Eigenschaften der Verwerfung.

Indem diese Arbeit den Einfluss von Gezeitenstörungen auf die Erdkruste modelliert, schafft sie einen Rahmen zur Interpretation von Gezeitenmustern bei langsamen Erdbeben. Das könnte künftig in Bemühungen zur Erdbebenvorhersage einfließen.

So könnten Seismologinnen und Seismologen registrierte Erdbeben gewissermaßen rückwärts analysieren, um Eigenschaften der Verwerfungen zu bestimmen: etwa ihre Reibungsstärke und die Gleitstrecke, die sie zurücklegen müssen, bevor sie schwächer werden. Dazu müssten sie die gemessene seismische Aktivität mit der Gezeitenaktivität abgleichen, die leicht bekannt ist – schließlich ist es einigermaßen schwierig, Sonne und Mond aus den Augen zu verlieren.

Da die Studie einen einzelnen Abschnitt einer Störungszone isoliert modelliert, eignet sie sich möglicherweise besser zur Simulation wiederholter, lokaler Niederfrequenz-Erdbeben (LFEs) als für seismische Ereignisse wie Tremore. Letztere umfassen mehrere Abschnitte und sind großräumiger.

Weil langsame Erdbeben in den außergewöhnlich aktiven Subduktionszonen des Pazifischen Feuerrings nachgewiesen wurden, liefern sie dem Team zufolge „wertvolle Einblicke in die Spannungsansammlung und -freisetzung entlang der Plattengrenzfläche und sind daher äußerst relevant für die Beurteilung des Bruchpotenzials und der räumlichen Ausdehnung künftiger Megathrust-Erdbeben“.

Megathrust-Erdbeben zählen zu den stärksten seismischen Umwälzungen der Welt. Sie können verheerende Tsunamis erzeugen und sogar Vulkane wieder aktiv werden lassen.

Die Forschung wurde in JGR Solid Earth veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rebecca Dyer auf Fakten geprüft und von Rebecca Dyer redigiert. Wir sind zwar stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, lassen Sie es uns bitte wissen.