Die große Erschütterung

27.04.11 – Niels Boeing

Das Monsterbeben in Japan hat gezeigt, wie verletzbar unsere Zivilisation ist. Sind wir den gewaltigen Kräften der brüchigen Erdkruste hilflos ausgeliefert, oder kann technische Intelligenz die Gefahr bannen?

Kaum eine Weltgegend verströmt die Aura, dass die Zukunft schon begonnen hat, so sehr wie die Halbinsel von San Francisco. Wer aus der Stadt mit dem Auto nach Süden durch das große Gewerbegebiet Silicon Valley steuert, sieht sie alle: die Firmenzentralen von Google, Apple, eBay und den zahllosen anderen IT-Firmen, deren Erfindungen den digitalen Herzschlag eines ganzen Planeten vorgeben. Doch während ihre klugen Köpfe an der nächsten großen Errungenschaft arbeiten, lauert im Untergrund eine andere Zukunft. Denn das globale Hightech-Zentrum befindet sich in einem der geologisch gefährlichsten Gebiete der Welt: Hier haben sich die großen Kontinentalplatten des Pazifiks und Nordamerikas ineinander verhakt – und die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich in den kommenden 20 Jahren in einem Beben der Stärke 6,7 oder mehr lösen, liegt nach Berechnung des US Geological Survey (USGS) bei 62 Prozent.

Was auf die Kalifornier zukommen könnte, hat Japan gerade schmerzhaft erfahren müssen. Das unterseeische Megabeben der Stärke 9,0 am 11. März mit einem nachfolgenden Tsunami hat an der japanischen Ostküste unfassbare Verwüstungen angerichtet: Zehntausende tot oder vermisst, ganze Städte dem Erdboden gleichgemacht, Häfen und Flughäfen zerstört, dazu ein nuklearer GAU und eine aus dem Takt geratene Hightech-Industrie. Das alles könnte auch „The Big One“, wie die Kalifornier das nächste Superbeben nach 1906 nennen, bringen – und noch mehr: Anders als in Japan wird der Bebenherd hier an Land liegen, entlang der San-Andreas- oder der Hayward-Verwerfung, die sich zu beiden Seiten der Bucht von San Francisco hinziehen. Weil die „Bay Area“ über ihre Dienstleistungen mit aller Welt vernetzt ist, „könnten die Auswirkungen eines Hightech-Bebens rund um den Globus spürbar sein“, warnt der US-Trendforscher Paul Saffo – ähnlich wie sich die amerikanische Hypothekenkrise zur globalen Finanzkrise entwickelt habe. Japan und Kalifornien sind jedoch nur zwei von etwa 15 dicht besiedelten Regionen weltweit, die sich auf den Nahtstellen der Kontinentalplatten ausgebreitet haben. Werden sie alle der nächsten Katastrophe so ausgeliefert sein wie Japan, das eigentlich so gut wie kein anderes Land auf Erdbeben eingestellt war? Obwohl die moderne Seismologie schon fast 100 Jahre alt ist, beginnt sie erst allmählich zu verstehen, was tatsächlich unter der Oberfläche vor sich geht. Und das Bild, das sich ihr bietet, ist weitaus komplexer als noch vor ein paar Jahrzehnten angenommen.

Erdbeben sind vor allem eine Folge davon, dass sich die riesigen Gesteinsmassen der Kontinente und Ozeanböden ganz langsam in verschiedene Richtungen über den Erdball bewegen. Teils werden sie angeschoben von heißer Magma, die an einigen Rändern aus dem Erdmantel emporquillt, teils von ihrem eigenen Gewicht in die Tiefe gezogen. Wenn etwa die Pazifische Platte mit einigen Zentimetern pro Jahr nach Nordwesten driftet, die Nordamerikanische Platte hingegen nach Südwesten, kommen sie miteinander in Berührung. Oft gleiten ihre Kanten träge aneinander vorbei, manchmal jedoch bleibt das Gestein auf viele Kilometer langen Abschnitten aneinander hängen – wie an der San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien. Während die Billiarden Tonnen schweren Platten immer weiter vorwärts drücken, baut sich an den verhakten Flächen über Jahrhunderte eine ungeheure Spannung auf – bis ein Punkt erreicht ist, an dem beide Kantenstücke sich mit einem Ruck voneinander lösen. Die aufgestaute Energie, die dabei freigesetzt wird, ist mitunter viele tausend Mal größer als die Detonation der Hiroshima-Bombe und lässt den Boden ringsum in mächtigen Wellen erzittern. Die Oberflächen rechts und links der Verwerfung schnellen in Windeseile aneinander vorbei, sodass Straßen oder Weidezäune plötzlich durchschnitten und die Teilstücke mehrere Meter voneinander entfernt sind.

Der erste, der diesen Vorgang richtig erfasste, war der amerikanische Geophysiker Harry Fielding Reid. Seine 1910 veröffentlichte „Elastic Rebound“-Theorie bildet bis heute den Kern der modernen Seismologie. Reid konnte damals allerdings noch nicht ahnen, wie zerklüftet und zugleich dynamisch die Erdkruste tatsächlich ist. „Die Zahl der Verwerfungen auf unserem Planeten ist gewaltig“, sagt Onno Oncken, Geophysiker am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam. Permanent rumpelt und zittert es an einer dieser Bruchlinien: Im Durchschnitt ereignen sich weltweit minütlich sechs Erdbeben, die – bei einer Stärke von bis zu 4,9 – allenfalls Geschirr klirren und Türen klappern lassen. Rund 800 Mal im Jahr kommt es zu Beben mit einer Magnitude von 5 bis 5,9, die bereits schlecht gebaute Häuser ernsthaft beschädigen können. Die großen Erschütterungen hingegen, die Not und Zerstörung bringen, sind erfreulicherweise deutlich seltener. Weniger erfreulich ist, dass all die Verwerfungen nicht unabhängig voneinander existieren. „Sie reagieren in unerwarteter Weise auf subtile Verspannungen, die durch das Schieben und Schütteln in benachbarten Verwerfungen ausgelöst werden“, sagt Ross Stein vom USGS.

Diese Erkenntnis kam Stein, als er zwei Erdbeben in der kalifornischen Mojave-Wüste untersuchte, die 1992 im Abstand von nur drei Stunden aufgetreten waren. Nach der damals gängigen Sicht galt das spätere als Nachbeben. Die Messdaten hingegen führten Stein zu einem anderen Schluss: Ein Teil der Energie des ersten Bebens hatte sich im Untergrund bis zur nächsten Verwerfung ausgebreitet, die daraufhin ebenfalls krachte. Ähnlich wie in einem Mikadospiel: Zieht man ungeschickt ein Stäbchen heraus, wackelt es, und die Gewichte auf allen anderen Stäbchen verteilen sich neu. „Wir müssen davon ausgehen, dass jedes Beben ein weiteres auslösen kann“, bestätigt Oncken eines der wichtigsten seismologischen Erkenntnisse der vergangenen Jahrzehnte.

Der Moskauer Seismologe Wladimir Kossobokow vermutet gar, dass die Reichweite, mit der sich Spannungsänderungen auf andere Bruchzonen auswirken, zehnmal größer sein könnte als die Verwerfung selbst. Sowohl er als auch andere Geophy-siker halten es deshalb für plausibel, dass jenes verheerende Seebeben im Indischen Ozean Ende 2004, dessen Tsunami über 200000 Menschen tötete, für die Häufung schwerer Beben in den nachfolgenden Jahren verantwortlich ist. Die Frage, die unserer modernen, hoch technisierten Zivilisation am meisten unter den Nägeln brennt, ist indes: Werden wir irgendwann berechnen können, wo und wann genau die Erde das nächste Mal bebt? Auch wenn nur wenige daran glauben, arbeitet die Wissenschaft doch daran, ihre Prognosen zumindest zu verbessern.

Ein Ansatz ist die immer feinere Überwachung unseres Erdsystems. „Inzwischen kann man Beobachtungen am Boden, in Tiefbohrungen und aus dem Weltraum miteinander kombinieren“, sagt der GFZ-Forscher Jochen Zschau. Mithilfe des Satellitennavigationssystems GPS kann über kleine Bodenstationen die Bewegung von Gesteinsmassen entlang der Bruchzonen erfasst werden. Während sich die Stationen an vielen Punkten im Gleichklang mit den tektonischen Platten weiterbewegen, rühren sie sich an den verhakten Stellen der Verwerfungen kaum vom Fleck. Aus den Unterschieden der Bewegungen können Forscher berechnen, wie sich die Spannung erhöht. Mithilfe der Radarinterferometrie können sie wiederum verfolgen, wie sich Gesteinsmassen im allgegenwärtigen Kräftespiel heben oder senken.

Mit dem Wissen um vergangene Beben lassen sich so entlang der Tausende Kilometer langen Nahtstellen von tektonischen Platten Abschnitte ausmachen, deren Krachen überfällig ist. Eine solche 400 Kilometer lange „seismische Lücke“ war etwa die Gegend um die zentralchilenische Stadt Concepción. Hier hing die Nazca-Platte an der Südamerikanischen Platte fest. Bis zum 27. Februar 2010: Da entlud sich die aufgestaute Spannung in einem gewaltigen Beben der Magnitude 8,8 – des sechststärksten seit Beginn der modernen Messungen.

Neben dieser eher klassischen Herangehensweise versuchen einige Forscher, den Messdaten mit statistischen Verfahren weitere Geheimnisse zu entlocken. Bereits vor zehn Jahren hatten Physiker am Imperial College London 330000 Beben verschiedenster Stärke analysiert, die sich zwischen 1984 und 2000 in Kalifornien ereignet hatten. Die Häufigkeit, mit der verschiedene Bebenstärken auftraten, folgte einer speziellen mathematischen Verteilung. Die ist typisch für ein „chaotisches“ – genauer: selbstorganisiert kritisches – System, dessen künftige Entwicklung sich nicht eindeutig vorausberechnen lässt. In ihm können winzige Veränderungen ungleich größere Folgen haben – an einem ganz anderen Ort. Diesen sogenannten „Schmetterlingseffekt“ untersuchen die Potsdamer Geowissenschaftler nun für die Seismologie ganz praktisch.