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Lösung für geologisches Rätsel

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 20.09.2013 12:24

Erdbeben gehören gerade am pazifischen Feuerring fast zur Tagesordnung, so auch im Ochotskischen Meer zwischen Kamtschatka und dem sibirischen Festland. Dort allerdings tritt eine besondere Form auf, so genannte Tiefe Erdbeben, die den Geophysikern große Kopfschmerzen bereitet. Ihr Herd liegt in Tiefen von 400 bis 600 Kilometern und damit eigentlich in einer Zone, wo das Gestein nicht mehr spröde genug ist, um in einem Erdbeben zu brechen. In "Science" sind jetzt zwei Aufsätze erschienen, die erklären, warum es so tief unter dem Ochotskischen Meer trotzdem bebt.

Nanostörungen in künstlichem Olivin. (© Science/Green Lab, UC Riverside)Am 24. Mai 2013, um 7:44 mitteleuropäischer Zeit, erschütterte ein Erdbeben der Magnitude 8,3 das Ochotskische Meer in Russlands Fernem Osten. Und obwohl die seismischen Wellen bis in den Mittleren Osten zu spüren waren, kam in den umliegenden Gebieten Sibiriens niemand zu Schaden. Das lag nicht nur an der extrem dünnen Besiedlung dort, sondern auch am speziellen Charakter des Ereignisses: Es war ein so genanntes tiefes Erdbeben mit einem Herd in mehr als 600 Kilometern Tiefe. "Diese tiefen Erdbeben sind nicht gefährlich und führen nicht zu Zerstörungen", erklärt Thorne Lay, Seismologie-Professor an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz, "aber sie sind ein wahres wissenschaftliches Rätsel." Normalerweise liegen Erdbebenherde in einer Tiefe von wenigen Kilometern. 400 bis 600 Kilometer unter der Oberfläche, also im oberen Erdmantel, herrschen hingegen Druck- und Temperaturverhältnisse, unter denen eigentlich kein Beben stattfinden dürfte. Dennoch gibt es rund um den Globus einige Orte, wo es in schöner Regelmäßigkeit in dieser Tiefe rumpelt. "Besonders oft passiert das im Ochotskischen Meer oder im Gebiet des Pazifikstaates Tonga, nahe am Marianengraben", erklärt Alexandre Schubnel von der Ecole Normale Supérieure in Paris. Das Beben vom 24. Mai im Ochotskischen Meer war das stärkste dieser tiefen Beben, das bislang aufgezeichnet wurde.

Der Seismologe Thorne Lay und seine Arbeitsgruppe haben nun in "Science" die erste umfassende Analyse dieses Ereignisses vorgelegt. Danach taucht unterhalb des Ochotskischen Meers ein besonders kaltes Stück der pazifischen Krustenplatte tief unter der Eurasischen Platte ab. Wegen ihrer Kälte ist die ozeanische Kruste auch in solchen Tiefen noch spröde genug für Erdbeben, in denen sich das umgebende Mantelgestein längst plastisch verformt. Und genau in dieser ins Erdinnere abgetauchten pazifischen Krustenplatte hat sich das Erdbeben ereignet. Dabei riss ein rund 180 Kilometer langes Stück: "Wir glauben, dass dabei in der ozeanischen Platte eine alte Störung aus früherer Zeit reaktiviert wurde", sagt Lay, "als die Platte in Oberflächennähe abzutauchen begann. Dabei wurde sie so stark gebeugt, dass sie einen Riss bekam."

Bleibt die Frage, warum dieser Riss urplötzlich wieder aktiv wurde. Der französische Geophysiker Alexandre Schubnel verfolgt mit Kollegen in einem anderen Science-Aufsatz eine Idee, die schon seit etlichen Jahren die Wissenschaftler beschäftigt. Die Arbeitsgruppe hat nun dazu Laborexperimente durchgeführt. Das Hauptmineral des Erdmantels Olivin kennt auch eine wesentlich kompaktere Hochdruckform, so dass eine Umwandlung für eine Verringerung des Volumens sorgt. Normalerweise läuft dieser Prozess graduell ab, wann immer Olivin den nötigen Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt wird. Wird sehr kalte Meereskrustenplatte subduziert, fehlt jedoch der Faktor Temperatur. "Der Olivin wird zwar dem nötigen Druck ausgesetzt", erklärt Schubnel, "aber er wandelt sich trotzdem nicht um, weil es zu kalt ist. Wir nennen das metastabil." Sobald aber die tauchende Platte warm genug wird, schlägt der metastabile Olivin regelrecht in die kompaktere Hochdruckform um und schafft so Raum für Bewegung selbst tief im Erdmantel: "Und das löst dann ein Erdbeben aus", so Schubnel.

Um diese Idee nachzuprüfen, setzten Schubnel und seine Kollegen Proben in ihren Laborexperimenten künstlichen Olivin den Druck- und Temperaturverhältnissen aus, die zu einem solchen Umschlag führen. "Dabei entstanden in der Probe große Risse, die sich so schnell fortpflanzten, dass sie Ultraschallwellen erzeugten", berichtet Schubnel, "und diese Wellen zeigten große Ähnlichkeit mit den Wellen, die von schweren Erdbeben ausgesandt werden." Aus dieser Analogie schließen die französischen Forscher, dass die Mineraltransformation tatsächlich das Potenzial besitzt, in großer Tiefe Erdbeben auszulösen. Voraussetzung ist eben nur, dass es in dieser Region ein großes Stück Kruste gibt, das so kalt ist, dass große Mengen an Olivin lange einen metastabilen Zustand bewahren, bis sie sich schlagartig umwandeln. Für den kalifornischen Seismologen Thorne Lay hat diese Idee durchaus etwas für sich: "Aber die Mineraltransformation dürfte maximal Auslöser sein, der weitere Verlauf des Erdbebens wird durch Schmelzprozesse an den Bruchflächen bestimmt."