Megabeben stoßen sich gegenseitig an – Mechanismen für Erdbebenzyklen an Chiles Plattengrenze aufgeklärt

Erforschung von Megabeben in Chile (Foto: M. Moreno, GFZ).

Querschnitt durch eine Subduktionszone: Auf eine Phase relativer seismischer Ruhe (oben) folgt durch den aufgebauten Deformationsstress ein Megabeben (unten; Abb. GFZ).

05.04.2017: Wenn an einer Plattengrenze auf Jahrzehnte bis Jahrhunderte mit relativer seismischer Ruhe plötzlich und innerhalb weniger Tage oder Jahre Serien aus heftigen Erdbeben folgen, sprechen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von einem Megabebenzyklus. Ein Team aus fünf GFZ-Wissenschaftlern, einem chilenischen Kollegen und Erstautor Daniel Melnick, Universität Potsdam, hat die Mechanismen hinter diesen Megabeben an der chilenischen Plattengrenze erforscht. Die in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlichten Ergebnisse wurden nun auf der News-Plattform EOS der American Geophysical Union AGU als „Research Spotlight“ ausgezeichnet. So würdigt EOS die „besten zur Publikation akzeptierten Artikel“ aus einem AGU-Journal.

Mehr als ein Viertel der seismischen Energie weltweit wird am Plattenrand im Norden Chiles freigesetzt. Hier schiebt sich die südamerikanische Kontinentalplatte über die angrenzende ozeanische Platte - die Nazca-Platte des Südpazifiks. Einige der weltweit stärksten bisher aufgezeichneten Erdbeben traten an dieser Plattengrenze auf; so auch zwei verheerenden Erdstöße der Stärke 8,8 vom 27. Februar 2010 im südlichen Teil von Zentralchile und das nur wenig schwächere Beben vom 17. September 2015 mit einer Magnitude von 8,3. Beide Beben hatten einen Tsunami zur Folge.

Schon lange ist bekannt, dass solche Megabeben entlang bestimmter Plattengrenzen einem wiederkehrenden Muster folgen: Lange Phasen relativer seismischer Ruhe wechseln sich mit kurzen Phasen starker Erdbeben ab. Die genauen Ursachen waren jedoch bisher unklar. Das Wissenschaftler-Team hat nun Veränderungen in der Oberflächenstruktur des kontinentalen chilenischen Plattenrands untersucht. Mit bisher unerreichter Genauigkeit haben die Wissenschaftler den Spannungsaufbau in der kontinentalen Platte anhand von Verformungen an der Erdoberfläche verfolgt, um so die Ursachen hinter den Megabebenzyklen zu entschlüsseln.

Ein Megabebenzyklus schließt sich

Das Team hat Computermodelle mit quasi-Echtzeitdaten gespeist - erhoben mittels Global Positioning System (GPS) - und so die Verformungen an der Erdoberfläche rekonstruiert, die vor, während und nach den Megabeben auftraten. Das GPS lieferte außerdem Langzeitdaten der vergangenen Jahrzehnte, aus denen die genauen Bebenabfolgen herausgelesen werden konnten. Beobachtungen vor Ort, etwa mit Seismometern, Beschleunigungsmessern oder 3D-Bildgebungsverfahren, ergänzten die GPS-Daten. Die Wissenschaftler kombinierten ihre Daten außerdem mit denen historischer Beben sowie mit Studien zu Paläo-Daten, in denen die regelmäßige Wiederholung der Bebenserien über die Jahrtausende zu erkennen war. Mit diesen umfassenden Daten kamen die Wissenschaftler den Mechanismen hinter den Megabebenzyklen auf die Spur.

Das erste Megabeben von 2010 folgte, so folgern die Wissenschaftler, einem schon lange bekannten Mechanismus an Subduktionszonen: Durch die Subduktion, also das Abtauchen der ozeanischen Platte, wird die kontinentale Platte an ihrem Rand gestaucht (siehe Abbildung). Dadurch kommt es auf dem Kontinent zu einer Hebungsbewegung der Platte, die sich außerdem verkürzt. Das führt dazu, dass sich im Laufe der Zeit – in der Phase der relativen seismischen Ruhe - in der Platte eine Spannung aufbaut, die sich plötzlich in Form eines schweren Erdbebens entlädt: das Megabeben von 2010. Dieses Beben verursachte dann Verformungen in benachbarten Teilen der Erdplatte. Die durch die Verformungen entstehenden Spannungen entluden sich schließlich in einem weiteren starken Beben: dem Megabeben von 2015.

Das Megabeben von 2015 folgt nicht dem bekannten Mechanismus – dafür hätte auch keine entsprechend große Spannung im Erdinneren aufgebaut werden können, da die vergangene Zeitspanne zum vorherigen Megabeben viel zu kurz war.“ so Marcos Moreno, GFZ-Sektion Dynamik der Lithosphäre, Co-Autor der Studie. „Das Beben aus dem Jahr 2015 war vielmehr eine Entspannungsreaktion auf die Deformationen, die das 2010er Beben hervorgerufen hatte.“ Ob weitere Megabeben folgen bevor der Megabebenzyklus wieder in die Phase relativer seismischer Ruhe eintritt, ist indes noch unklar.

Die Wissenschaftler vermuten, dass sich diese Mechanismen auf andere Plattengrenzen mit ähnlicher Konstellation übertragen lassen, beispielsweise in Alaska, Japan oder auf Indonesien. So kam es ab 2004 auf der zu Indonesien gehörenden Insel Sumatra nach einer jahrhundertelangen seismischen Ruhe innerhalb eines Jahrzehnts zu drei mächtigen Beben mit Magnituden von 7,9 bis 9,2. Genau wie in Chile lässt sich auch hier vermuten, dass die Megabebenserien das Ende eines Megabebenzyklus waren, der nun von vorne beginnt. (ak)

Originalstudie: Melnick, D., Moreno, M., Quinteros, J., Baez, J.C., Deng, Z., Li, S, Oncken, O., 2017. The super-interseismic phase of the megathrust earthquake cycle in Chile. Geophysical Research Letters 44, doi:10.1002/2016GL071845

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