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In überraschender Tiefe

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 04.11.2014 15:35

Beben gehen in der Regel auf Brüche in den spröden oberen Regionen der Erde zurück, ihre Herde liegen nur wenige Kilometer tief. Dafür spricht schon die Physik, denn mit zunehmender Tiefe steigen Druck und Temperatur, so dass irgendwann einmal der für ein Beben notwendige Bruch nicht mehr zustande kommen sollte. Doch so einfach macht der Planet es den Geophysikern nicht, denn es gibt auch Beben, die in vielen Hundert Kilometern Tiefe stattfinden. So geschehen im Mai 2013.

Der Aufbau der Erde. (Bild: Nasa/MPIK)Am 24. Mai 2013 bebte die Erde im Ochotskischen Meer mit einer Magnitude von 8,3, doch während noch im 7000 Kilometer entfernten Moskau die Hochhäuser schwankten, fiel auf der nahen Kamtschatka-Halbinsel kein einziges Haus zusammen. Das lag an einer Besonderheit dieses Bebens, sein Herd lag sehr tief im Erdmantel, rund 600 Kilometer unterhalb der Oberfläche. "Mit einer Magnitude von 8,3 ist es das stärkste bislang aufgezeichnete Tiefherdbeben überhaupt", erklärt Emile Okal von der Northwestern University in Chicago. Am Bebenherd riss das Gestein über 180 Kilometer Länge und 50 Kilometer Breite hinweg auf, in dieser Tiefe absolut erstaunlich. "Erdbeben sind, was wir einen spröden Bruch nennen, etwa so wie Glas bricht. Sie entstehen, wenn sich tektonische Spannungen zwischen zwei Krustenplatten ruckartig entladen", erklärt Okal. Bei steigenden Temperaturen jedoch schwindet die Sprödigkeit, sowohl von Glas als auch von Gestein. "In 609 Kilometern Tiefe, wo sich das Ochotsk-Beben genau ereignete", so Okal, "sollten die Gesteine plastisch wie geschmolzenes Glas reagieren und nicht mehr brechen."

Wie diese Tiefherdbeben entstehen, ist daher rätselhaft. Als wäre das an sich nicht schon ungewöhnlich genug, wurde es auch noch von einem bizarren Nachbeben begleitet. Zhongwen Zhen von der University of California in San Diego: "Es hatte eine Magnitude von 6,7. Eigentlich erwarten wir, dass so ein Erdbeben rund acht Sekunden dauert. Aber dieses hier war noch nicht einmal zwei Sekunden lang." Der Bruch breitete sich mit einer Geschwindigkeit von acht Kilometern pro Sekunde aus, normal wären drei Kilometer gewesen. Das bedeutet, dass dieser Bruch sich schneller ausgebreitet hat als die Scherwellen, eine langsamere Wellenklasse, die Erdbeben durch den Planetenkörper senden. "Ein solches superschnelles Erdbeben ist die seismische Entsprechung zum Überschallflug. Sie sind sehr selten. Vor diesem Nachbeben kannten wir nur sechs Ereignisse dieser Art, und bei ihnen handelte es sich immer um flache Beben, die an Störungen in der Erdkruste entstanden", so Zhen.

Bebenmechanismus unklar

Klar ist: Tiefherdbeben entstehen in Subduktionszonen, also dort, wo die Meereskrustenplatte ins Erdinnere sinkt. Genauer: Sie entstehen in einer Übergangszone im Erdmantel, in der die Drücke und Temperaturen so hoch sind, dass sich die Struktur der Gesteine verändert: Das heißt, die Atome in den Kristallen werden dichter gepackt. Dadurch schrumpft das Volumen. Und genau das könnte der Auslöser eines Tiefherdbebens sein. Emile Okal: "In den Daten des Magnitude 8,3-Erdbebens von Ochotsk sehen wir Hinweise darauf, dass es zu einer Implosion gekommen ist."

Okal vermutet, dass die Kristallstruktur der Minerale in der Meereskrustenplatten sich auf dem Weg ins Erdinnere zögerlicher veränderten als die des umgebenden Mantelgesteins, weil die abtauchende Platte kälter ist. "Sie sinkt deshalb unverändert in Bereiche ab, in denen sie metastabil ist", so Okal weiter. "Dort genügt ein kleiner Auslöser, und die Kristallstruktur ändert sich schlagartig." Das wäre der Beginn des Erdbebens. Bleibt das Problem, wie sich der Bruch unter den Temperatur- und Druckverhältnissen in 600 Kilometern Tiefe fortpflanzen soll. "Stellen Sie sich vor, dass dort die Blöcke diesseits und jenseits der Bruchzone gegeneinander bewegt werden", so Thorne Lay von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz, "das kann die Bruchfläche so weit aufheizen, dass Schmelzen entstehen - und die können den ganzen Prozess dann so weit schmieren, dass sich trotz der Bedingungen im Erdmantel ein Bruch über 180 Kilometer hinweg ausbreiten kann."

Bislang konnte - neben dem Ochotsk-Beben - nur noch ein zweites mit den Mitteln der modernen Geophysik analysiert werden. Und zwar das „Bolivienbeben“ von 1994, das mit einer Magnitude von 8,2 zweitstärkste Tiefherdbeben bislang. Obwohl sich beide Beben in vergleichbarer Tiefe ereigneten, sind sie sehr verschieden. So war das Bolivienbeben eines der langsamsten, die je beobachtet wurden. "Das Bolivienbeben hat uns auf den Gedanken gebracht, dass Gesteinsschmelzen entstanden sein könnten", erzählt Thorne Lay, "aber es schien so, als hätte es keinen scharfen Bruch entlang einer Störung gegeben, sondern als sei ein ganzes Gesteinspaket vollkommen zerschmettert und durchgearbeitet worden. Das Ochotsk-Beben entwickelte sich hingegen entlang einer klaren Bruchfläche, verhielt sich also sehr viel mehr wie ein flaches Erdbeben." Der Unterschied liegt am Material, vermuten die Seismologen: Vor Kamtschatka sinkt eine sehr alte und kalte Meereskrustenplatte in den Erdmantel ab, während die vor Südamerika - geologisch gesehen - jung und warm ist.