Wissenschaftler untersuchen Vor- und Nachbeben in Chile

Am 1. April 2014 bebte in der Provinz Iquique die Erde. Detaillierte Messungen helfen, physikalische Prozesse besser zu verstehen.

Anfang April dieses Jahres jährt sich das Beben, das sich nahe der Hafenstadt Iquique vor der Küste Chiles ereignete und eine Magnitude von 8.1 hatte. Es handelte sich dabei um ein Subduktionsbeben, d.h. es fand an einer Stelle statt, wo eine ozeanische mit einer kontinentalen tektonischen Platte zusammenstößt und unter dieser in den Erdmantel gedrückt wird. Da die Platten an ihren Rändern miteinander verhakt sind, bauen sich im Laufe der Zeit große Spannungen auf, die sich in Erdbeben entladen. Dabei bewegen sich die Platten dann ruckartig um die aufgestaute Verschiebung gegeneinander. Dieser zyklische Prozess weist eine gewisse Regelmäßigkeit auf. Schätzungen für diese Region aufgrund der Beobachtungen der letzten 500 Jahre besagen, dass es gut 100 Jahre dauert, bis der Spannungsaufbau ein großes Beben verursachen kann. Da das letzte starke Ereignis 1877 stattfand, und die nördlichen und südlichen Plattengrenzen 1995 und 2001 brachen, sprechen Wissenschaftler hierbei von einer seismischen Lücke.

Um physikalische Prozesse von Erdbeben und die seismische Lücke besser zu verstehen, wurde 2006 mit der Installation des internationalen Messnetzwerks IPOC (Integrated Plate Boundary Observatory Chile) begonnen, an welchem das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) federführend beteiligt ist. Dieses Netzwerk besteht aus einer Vielzahl an Sensoren: Breitband-Seismometer messen die Geschwindigkeit der Bodenbewegung während eines Erdbebens, Accelerometer die Beschleunigung. Mittels GNSS (Global Navigation Satellite System), einer Art high-tech Version der üblichen Navigationsgeräte, werden Bewegungen im Millimeterbereich aufgezeichnet. Dabei interessieren sich die Wissenschaftler sowohl für den interseismischen Spannungsaufbau als auch für den Versatz während bzw. nach einem Beben (ko-seismischer bzw. postseismischer Versatz). Des Weiteren sind Kriechmesser (Creepmeter) vorhanden, welche die Aktivität an bekannten Störungszonen überwachen sowie Neigungsmesser (Tiltmeter). Mit magnetotellurischen Instrumenten (MT) werden Variationen des elektrischen Widerstandes im Untergrund bestimmt, die im Zusammenhang mit Fluidverlagerungen an Bruchflächen stehen könnten. Ergänzt werden diese Bodenstationen durch Satellitenmessungen, um mit einem Radar (InSAR) Änderungen an der Geländeoberfläche erfassen zu können.

Die Gesamtheit der Messdaten dieses Netzwerks aus der Zeit vor, während und nach dem Beben hat mit bisher unerreichter Auflösung ermöglicht, die tektonischen Prozesse in ihrem zeitlichen Verlauf zu untersuchen. So wurden seit Juli 2013 drei Serien von Vorbeben mit jeweils wachsender maximaler Magnitude identifiziert (die allerdings immer noch sehr viel kleiner als beim späteren Hauptbeben war). In dieser Zeit hat sich der sogenannte b-Wert verringert. Die Anzahl größerer Beben hat im Verhältnis zu den kleineren  zugenommen. Ein solches Verhalten wird oft als Folge zunehmender Spannung interpretiert. Kurz vor dem Beben stieg der b-Wert dann wieder an. Ein Vergleich der Position der Vorbeben-Cluster mit Ergebnissen basierend auf den interseismischen GPS-Daten hat gezeigt, dass diese in einer Region oberhalb der Zone der stärksten Verhakung oder Kopplung zwischen den Platten stattfanden. Die vielen kleinen Beben haben dann dazu geführt, dass die Spannung auf der am stärksten gekoppelten Region zunahm, bis die Kräfte so groß wurden, dass es zum Hauptbeben kam. Die Analyse der Seismometeraufzeichnungen ermöglichte es, den räumlichen und zeitlichen Verlauf des Hauptbebens zu rekonstruieren. Der Nukleationspunkt (Ausgangspunkt) lag in der Gegend der Vorbeben, und der Bruch breitete sich im Anschluss entlang der Plattengrenze nach unten aus, in das Gebiet der stärksten Kopplung. Der Bruchprozess dauerte knapp 3 Minuten und der maximale Versatz zwischen den Platten betrug etwa 5 Meter.

Glücklicherweise hielten sich die verursachten Schäden - für ein Beben dieser Größe - auf Grund der Distanz zum Festland und der relativ geringen Bevölkerungsdichte in Grenzen. Simulationen, welche den gegenwärtigen Kopplungszustand sowie die historische Bebenaktivität berücksichtigen, deuten allerdings darauf hin, dass nur ein Teil der aufgestauten Spannungen entladen wurde, und dass für die gesamte Region theoretisch das Potenzial für ein noch erheblich stärkeres Beben als das vom 1. April 2014 in der Iquique Provinz vorhanden ist. Dass sich die gesamte vorhandene elastische Energie in einem einzelnen Beben entlädt, ist zwar möglich, aber da in der zentralen Region schon ein Teil der Spannung abgebaut wurde, wird es als wahrscheinlicher angesehen, dass sich die Energie auf mehrere  Beben verteilen wird. Jedoch ist es zum heutigen Zeitpunkt auch mit den besten Beobachtungs- und Messmethoden nicht möglich, Beben mit Angaben zu Zeitpunkt, Ort und Stärke vorauszusagen. Es ist aber möglich, Wahrscheinlichkeiten für die Überschreitung einer gewissen Bebenstärke in einem Zeitraum anzugeben, und diese als Grundlage z.B. für Bauvorschriften zu verwenden.

Literaturverweis:
Schurr, B., Asch, G., Hainzl, S., Bedford, J., Hoechner, A., Palo, M., Wang, R., Moreno, M., Bartsch, M., Zhang, Y., Oncken, O., Tilmann, F., Dahm, T., Victor, P., Barrientos, S., Vilotte, J.-P. (2014) Gradual unlocking of plate boundary controlled initiation of the 2014 Iquique earthquake. Nature, doi:10.1038/nature13681

Auf der IPOC-Seite sind weitere wissenschaftliche Arbeiten dokumentiert (in Englisch).

Text: Dr. Andreas Hoechner, Deutsches GeoForschungsZentrum

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