Am 11. März 2011 erschütterte ein Erdbeben der Stärke 9, 0 Japan fast sechs Minuten lang und löste einen Tsunami und eine Atomkatastrophe aus, bei der insgesamt fast 20.000 Menschen ums Leben kamen. Aber unter der Oberfläche hatten sich die tektonischen Platten vor der Ostküste Japans langsam verschoben, lange bevor das Schütteln begann. Im Februar 2011 schlichen sich langsam zwei ruhigere Erdbeben entlang des Japan-Grabens bis zu dem Punkt, an dem das massive Beben mit Mega-Staub einen Monat später ausbrechen würde.
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Diese seltsamen, leisen Beben werden als langsame Schlupfereignisse oder langsame Erdbeben bezeichnet - Oberbegriffe für das Spektrum gedämpfter Bewegungen und Erschütterungen, die an der Grenze zwischen tektonischen Platten auftreten. Langsame Erdbeben, die erst in den letzten 20 Jahren entdeckt wurden, sind immer noch ein seismisches Rätsel. Sie können tektonische Platten um mehr als ein Beben der Stärke 7 verschieben. Aber während ein regelmäßiges Erdbeben plötzlich seismische Wellen auslöst, die Gebäude umstürzen können, dauert ein langsames Erdbeben Tage, Monate, manchmal sogar Jahre - und Menschen in der Nähe spüren nie etwas.
Es wird angenommen, dass diese unmerklichen Geräusche vor massiven Beben in Japan, Mexiko und Chile aufgetreten sind. Wir wissen jedoch nicht, ob langsame Erdbeben die massiven Unruhen ausgelöst haben oder in welchem Verhältnis sie zu ihren schnelleren und gefährlicheren Gegenstücken stehen. Die Entschlüsselung, wann, wo und warum langsame Erdbeben auftreten, könnte uns helfen, die gefährlichsten Verwerfungszonen auf unserem Planeten zu verstehen - und möglicherweise sogar verheerende Beben und Tsunamis vorherzusagen, bevor sie ihren Tribut fordern.
"Es ist ein wahres Rätsel", sagt Heidi Houston, Geophysikerin an der University of Washington in Seattle. „Wir haben jahrzehntelang regelmäßige Erdbeben untersucht und einige Dinge über sie verstanden - und dann kommt dieser Prozess zustande und ist in einigen Aspekten gleich und in anderen Aspekten sehr unterschiedlich.“
Installation von Sensoren zur Überwachung subtiler Erdbewegungen. (Mit freundlicher Genehmigung von Herb Dragert) Vor den späten neunziger Jahren glaubten die Geowissenschaftler zu verstehen, wie sich das Puzzle aus tektonischen Platten, die die Erdoberfläche bedecken, bewegen und zusammenpassen. Sie gingen davon aus, dass die Platten, wenn eine Platte der Erdkruste an einer anderen vorbeigleitet, entweder stetig aneinander vorbeikriechen oder festkleben und sich so lange verspannen, bis sie explosionsartig in einem Erdbeben aus der Verwerfungszone herausrutschen.
Unmittelbar um das neue Jahrtausend wurde in zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen eine neue Klasse von wiederkehrenden und weitverbreiteten langsamen Erdbeben beschrieben, die an den gegenüberliegenden Rändern des Pazifiks beobachtet wurden.
Der erste Bericht über ein klar definiertes Slow-Slip-Ereignis stammte aus der Cascadia-Subduktionszone, die von der Juan-de-Fuca-Platte gebildet wird, die unter der Nordamerika-Platte von Nordkalifornien nach Vancouver Island drückt. Dort werden die Regionen rund 32 Kilometer unter der Oberfläche durch die Tiefen und hohen Temperaturen aufgeweicht und gleiten sanft aneinander vorbei. Aber flachere, spröde Teile der gleitenden tektonischen Platten können zusammenkleben, bis die festgeklebte Region in einem riesigen Mega-Staub aufbricht. Cascadia hat seit dem 18. Jahrhundert kein riesiges Beben mehr ausgelöst - aber das Grollen in der seismischen Gemeinschaft deutet darauf hin, dass das nächste große Beben kommen wird.
1999 stellte der Geophysiker Herb Dragert vom Geological Survey of Canada fest, dass sich einige kontinuierliche GPS-Überwachungsstationen im Süden von Vancouver Island und auf der Olympischen Halbinsel merkwürdig verhielten. Sieben von ihnen sprangen über mehrere Wochen etwa einen viertel Zoll in die entgegengesetzte Richtung der normalen Bewegung der Platte. Diese Art von Rückwärtssprung ist das, was Sie bei einem Erdbeben erwarten würden - aber es war kein Zittern festzustellen.
"Zuerst war Herb sehr besorgt - er dachte, dass etwas mit den Daten nicht stimmt", sagt Kelin Wang, ein Wissenschaftler des Geological Survey of Canada, der mit Dragert und dem Geowissenschaftler Thomas James zusammengearbeitet hat, um dieses Rätsel zu entschlüsseln. "Er hat alles versucht, um sich als falsch zu erweisen, und alles ist fehlgeschlagen."
Das liegt daran, dass an den Daten nichts falsch war. Das Team bemerkte bald, dass die Nordamerika-Platte und die Juan de Fuca-Platte sanft abrutschten, als die Stellen, an denen sie zusammenklebten, geöffnet wurden. 18 bis 24 Meilen unter der Oberfläche befanden sich diese aufgeklebten Stellen über dem Hochtemperatur- und Hochdruckbereich, in dem die Platten reibungslos gleiten, jedoch unter den verriegelten, Erdbeben erzeugenden Abschnitten der Subduktionszone. Und es stellt sich heraus, dass die klebrige Zwischenzone etwa alle 14 Monate planmäßig verrutscht.
Etwa zur gleichen Zeit bemerkte ein Seismologe des Nationalen Forschungsinstituts für Geowissenschaften und Katastrophenschutz über dem Pazifischen Ozean niederfrequente Schwingungen, die sich regelmäßig von Seismometer zu Seismometer über die Subduktionszone des Nankai-Trogs im Südwesten Japans ausbreiteten. Kazushige Obara, der jetzt am Erdbebenforschungsinstitut der Universität Tokio arbeitet, stellt fest, dass diese Grollen 34 Kilometer unter der Oberfläche einsetzten und tagelang andauern konnten und dem Zittern ähnelten, das mit Vulkanausbrüchen einherging - aber dies war kein vulkanisches Gebiet.
Als sich Obara und Dragert auf einer Konferenz trafen, stellten sie fest, dass die von GPS erfassten langsamen Schlupfereignisse Dragert und der von Seismometern erfasste nichtvulkanische Tremor Obara Anzeichen für dieselbe Art von nicht wahrnehmbarer Plattenbewegung in Subduktionszonen sein könnten.
"Ich war beeindruckt von ihrer ähnlichen Dauer, identischen Angleichungen mit dem Streik ihrer jeweiligen Subduktionszonen und ähnlichen Vorkommenstiefen", heißt es in einer E-Mail von Dragert.
Als Dragert nach Kanada zurückkehrte, suchte sein Kollege Garry Rogers, ein inzwischen pensionierter Seismologe, der mit Dragert beim Geological Survey of Canada zusammengearbeitet hatte, in Kisten mit alten Seismogrammen nach der verräterischen Wellenform des Zitterns. Sie fanden es jedes Mal, wenn die GPS-Geräte ein langsames Rutschereignis aufzeichneten.
"Die Haare standen auf meinem Nacken", sagt Rogers. "Das war ein sehr aufregender Tag."
Bald darauf stimmte Obara mit dem Zittern überein, das er in Japan sah. Jetzt wissen wir, dass es verschiedene Arten langsamer Erdbeben gibt, die mit oder ohne Zittern, in verschiedenen Tiefen und für verschiedene Zeiträume auftreten können. Sie sind leise durch Subduktionszonen vor den Küsten Alaskas, Costa Ricas, Mexikos, Neuseelands und sogar durch die vertikale Plattenschnittstelle der San-Andreas-Verwerfung gerutscht, und das alles ohne Erkennung (es sei denn, Sie sind ein Satellit oder ein Seismometer).
„Wir hatten wirklich keine Ahnung, dass es dieses ganze Spektrum und die ganze Familie von Störschubereignissen gibt“, sagt Laura Wallace, Geophysikerin an der Universität von Texas in Austin, die langsame Erdbeben vor der Küste Neuseelands untersucht. „Es hat unser Verständnis davon, wie sich Fehler an Plattengrenzen verhalten und wie Plattenbewegungen berücksichtigt werden, grundlegend verändert. Es ist eine ziemlich große Sache. "
Neuseeland und der Meeresboden. Der Hikurangi-Graben befindet sich südlich des dunkelblauen Grabens (Kermadec-Graben) in der oberen Mitte dieses Bildes. (Sandwell & Smith (1997), Stagpoole (2002)) Die Untersuchung dieses reichen Spektrums von Slow-Slip-Ereignissen ist jedoch eine Herausforderung - teilweise, weil sie so subtil sind, und teilweise, weil sie größtenteils unzugänglich sind.
"Es ist verdammt schwierig, etwas so tief in der Erde zu betrachten", sagt Rogers. Vor allem, wenn das auch etwas Tiefes ist, wie die langsamen Rutschereignisse, die den Hikurangi-Graben alle paar Jahre bis zu einigen Zentimetern vor der Ostküste der neuseeländischen Nordinsel bewegen.
2014 wurde Wallace kreativ. Sie leitete den Einsatz eines Netzwerks von Unterwasser-Manometern, um jede vertikale Bewegung des Meeresbodens zu erkennen, die auf ein langsames Rutschereignis hindeuten könnte. Sie hatte den richtigen Zeitpunkt gewählt: Die Manometer ermittelten, dass der Meeresboden unter ihnen auf und ab schwankte, was Wallace und ihr Team errechneten, dass die Teller innerhalb weniger Wochen etwa 4 bis 8 Zoll abrutschten. Im Gegensatz zu den langsamen Erdrutschen, die tief unter der Oberfläche in Cascadia und Japan vorkommen, entstanden diese Erdrutsche nur 2, 5 bis 4 Meilen unterhalb des Meeresbodens. Dies bedeutet, dass langsame Erdbeben in Tiefen und unter Bedingungen auftreten können, die sich erheblich von den ursprünglichen unterscheiden entdeckt in.
Außerdem war der Abschnitt des Grabens, in dem Wallaces Manometer abrutschten, derselbe Abschnitt, der 1947 zwei aufeinanderfolgende Tsunamis verursachte, die ein Häuschen zerbrachen, zwei Männer auf einer Landstraße absetzten und irgendwie niemanden töteten.
„Wenn wir diesen Zusammenhang zwischen langsamen Rutschereignissen und den schädlichen Erdbeben in Subduktionszonen verstehen, können wir diese Dinge möglicherweise prognostisch einsetzen“, sagt sie.
Aber zuerst müssen wir sie besser erkennen und überwachen können. Genau das versucht Demian Saffer von der Pennsylvania State University. In den letzten sechs Jahren hat er mit Wissenschaftlern in Japan und Deutschland zusammengearbeitet, um zwei Bohrloch-Observatorien einzurichten - im Grunde genommen Instrumentensammlungen, die in Bohrlöchern tief unter dem Meeresboden in der Nähe des Nankai-Grabens im Südwesten Japans versiegelt waren - dem Ort, an dem Obara das erste Zittern entdeckte .
Aus diesen Bohrloch-Observatorien sowie aus Daten, die von einem Meeresboden-Netzwerk von Sensoren gesammelt wurden, hat sein Team vorläufige Beweise für langsame Ausrutscher gesammelt, die mit Schwärmen kleiner, niederfrequenter Erdbeben zusammenfallen. Saffer vermutet, dass diese langsamen Ausrutscher an der Plattengrenze aufgestaute Spannungen freisetzen, die ansonsten bei einem katastrophalen Beben platzen würden.
Er vergleicht dieses Phänomen mit einer Rutschkupplung, die ein wenig Stress aufbaut, dann aber alle paar Monate bis Jahre ausfällt. "Was wir sehen, ist sehr vorläufig, aber wir sehen Hinweise auf ziemlich häufige langsame Ereignisse, die den Druck an der Plattengrenze abzubauen scheinen, was irgendwie cool ist", sagt er. Er wird diese Ergebnisse auf dem Treffen der American Geophysical Union in diesem Herbst vorstellen.
Forscher rufen eine Reihe von Unterwassersensoren ab, die langsames Abgleiten vor der Küste Neuseelands überwacht hatten. (Mit freundlicher Genehmigung von Erin Todd von der University of California in Santa Cruz) Wallace, Saffer und ein großes internationales Team von Wissenschaftlern planen derzeit eine Expedition für 2018, um in den Hikurangi-Graben zu bohren und ähnliche Observatorien einzurichten. Und während sie Drehungen in die ozeanische Kruste bohren, wollen sie Proben der Gesteine sammeln, aus denen die tektonischen Platten bestehen, um zu verstehen, was es mit den Mineralien und Flüssigkeiten in der Subduktionszone auf sich hat, die ein langsames Abgleiten ermöglichen.
"Es gibt viele Theorien darüber, welche Art von physischen Bedingungen zu diesem langsamen Rutschverhalten führen könnten", erklärt Wallace. Sie sagt, eine der beliebtesten ist, dass überschüssige Flüssigkeiten in der Störungszone sie schwächen und sie leichter verrutschen lassen. "Aber das verstehen wir immer noch nicht wirklich", fügt sie hinzu.
Dort, wo alles begann, arbeitet Heidi Houston von der University of Washington in der Subduktionszone Cascadia auch daran, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die langsamen Erdbeben zugrunde liegen. "Welche Prozesse halten sie langsam?", Sagt Houston. "Das ist das zentrale Geheimnis von ihnen."
Houston hat kürzlich herausgefunden, dass Zittern unter Verwerfungszonen ebenso weltliche Kräfte hervorruft, wie die Gezeiten sie verstärken können. Sie untersucht weiterhin, wie die Tiefe, der Flüssigkeitsdruck und die Mineralien, die sich an der Grenze zwischen tektonischen Platten ablagern, die Eigenschaften langsamer Erdbeben verändern.
Wie die anderen Seismologen, Geowissenschaftler und Geophysiker, die sich seit ihrer Entdeckung zu langsamen Erdbeben hingezogen fühlen, motiviert der Nervenkitzel des Unbekannten Houston - ebenso wie die Möglichkeit, dass das Verständnis langsamer Erdbeben uns eines Tages Einblick in tödliche Beben geben könnte.
"Ich habe die Zeit meines Lebens, diesen Prozess zu studieren", sagt sie.
