Zusammenfassung:
Wenn ein Erdbeben auftritt, kommt es zu enormen Reibungs- und Spannungsänderungen zwischen den unterirdischen Gesteinsschichten. Wissenschaftler versuchen seit langem, ein rätselhaftes Phänomen zu erklären: Warum können Unterwasserverwerfungen bei bestimmten großen Erdbeben in kürzester Zeit um Dutzende Meter abrutschen und sogar äußerst zerstörerische Tsunamis auslösen?
Eine aktuelle Studie eines Forschungsteams der Osaka Public University in Japan könnte eine neue Erklärung für dieses Problem liefern. Forscher haben vor etwa 15 Millionen Jahren auf der japanischen Boso-Halbinsel uralte Verwerfungsgesteine entdeckt, die eine ungewöhnliche geologische Struktur bewahren. Die Analyse zeigt, dass sich der Ton im Inneren der Verwerfung bei starken Erdbeben möglicherweise drastisch verändert hat und seine Viskosität einst nahe dem Wasserspiegel lag, wodurch die ursprünglich eng miteinander verbundenen Gesteinsschichten plötzlich einen Zustand annahmen, der einer flüssigen Schmierung ähnelte.
Das bedeutet, dass sich seismische Verwerfungen nicht immer dadurch bewegen, dass Feststoffe aneinander reiben. Unter bestimmten Bedingungen kann das Material innerhalb einer Verwerfung schnell verflüssigen, wodurch die Rutschfestigkeit erheblich verringert wird.
Die Forschung wurde von Professor Tetsuro Hirono von der Osaka Public University geleitet. Das Team führte eine detaillierte Untersuchung der alten Gesteine durch, die auf der Boso-Halbinsel freigelegt wurden. Diese Gesteine entstanden vor etwa 15 Millionen Jahren auf dem Meeresboden. Eine der alten Erdbebenverwerfungen bewahrt ungewöhnlich deutliche wellenförmige und gekrümmte Gesteinsschichten sowie komplexe Strukturen, die Flüssigkeitswirbeln ähneln.
Die Forscher beschreiben diese Strukturen als turbulentenähnliche Eigenschaften. Normalerweise bilden Materialien in Gesteinsverwerfungen unter langfristigen geologischen Prozessen relativ stabile Anordnungen, doch die dieses Mal entdeckten Gesteinsschichten weisen deutliche Anzeichen von Fließen auf, als ob sie eine schnelle Flüssigkeitsbewegung auf engstem Raum erfahren hätten.
Um herauszufinden, wie sich diese Strukturen gebildet haben, analysierte das Forschungsteam mit Methoden der Strömungsmechanik die Morphologie der Gesteinsformationen und brachte sie letztendlich mit einem geologischen Prozess in Verbindung, der „thermische Druckbeaufschlagung“ genannt wird.
Thermischer Druckaufbau tritt häufig bei schnellem Abrutschen von Erdbebenverwerfungen auf. Wenn sich die Gesteine auf beiden Seiten der Verwerfung plötzlich relativ zueinander bewegen, wird durch die enorme Reibung in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge erzeugt. Im Inneren von Gesteinen befinden sich viele winzige Poren, die oft Wasser enthalten. Wenn Reibungswärme dieses Wasser schnell erhitzt, steigt der Flüssigkeitsdruck in den Poren stark an.
Da das Wasser im Gestein eingeschlossen ist, kann der Druck nicht rechtzeitig abgebaut werden, wodurch der Reibungswiderstand zwischen den Gesteinen auf beiden Seiten der Verwerfung geschwächt wird. Wenn der Reibungswiderstand abnimmt, kann die Verwerfung das Gleiten weiter beschleunigen, mehr Wärme erzeugen und den Porendruck weiter erhöhen.
Dieser Prozess kann zu einer positiven Rückkopplung führen: Je schneller die Verwerfung gleitet, desto mehr Wärme wird erzeugt. je höher der Wasserdruck, desto geringer ist der Reibungswiderstand zwischen den Steinen; Wenn der Widerstand verringert wird, kann sich der Fehler in größerem Maßstab ausbreiten.
Forscher glauben, dass die besonderen Strukturen, die in den alten Gesteinen der Boso-Halbinsel erhalten geblieben sind, die geologischen Beweise sind, die dieser thermische Druckprozess hinterlassen hat.
Professor Tetsuro Hirono sagte, dass die Analyse des Forschungsteams gezeigt habe, dass die Viskosität des Materials innerhalb der Verwerfung möglicherweise nahe dem Wasserspiegel gelegen habe. Das Ausmaß dieser Veränderung ist erstaunlich, denn Tonmaterialien, die ursprünglich einen hohen Reibungswiderstand hatten, können bei Erdbeben in einen nahezu flüssigen Zustand übergehen und als dynamische Schmierschicht wirken.
Sobald dieses Phänomen in einem flachen Verwerfungsgebiet nahe dem Meeresboden auftritt, kann es besonders schwerwiegende Folgen haben. Aufgrund des plötzlichen Abfalls des Verwerfungswiderstands können Gesteinsformationen großflächige Verschiebungen erfahren, die weit über die üblichen Erwartungen hinausgehen, was wiederum die allgemeine Hebung oder Senkung des Meeresbodens begünstigt, große Mengen Meerwasser durcheinanderwirbelt und Tsunamis verursacht.
Im März 2011 ereignete sich in der japanischen Region Tohoku ein schweres Erdbeben mit einer Stärke von 9,1. Das Erdbeben dauerte fast 6 Minuten. Es kam zu großflächigen Verschiebungen von U-Boot-Verwerfungen, die schließlich einen verheerenden Tsunami auslösten. Die Katastrophe verursachte schwere Verluste und führte zu einem nuklearen Unfall im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi.
Forscher glauben, dass der Mechanismus, durch den die thermische Überladung zu einem starken Rückgang des Reibungswiderstands bei Verwerfungen führt, erklären könnte, warum einige große Erdbeben so große Verschiebungen des Meeresbodens hervorrufen können. Allerdings beweisen die bisher entdeckten 15 Millionen Jahre alten Gesteine nicht, dass derselbe Prozess beim Tohoku-Erdbeben 2011 in Japan stattgefunden haben muss. Es stellt einen möglichen Mechanismus dar, der durch physische Beweise gestützt wird, und nicht eine direkte Reduzierung eines modernen Erdbebens.
Diese Forschung hat potenziellen Wert für zukünftige Erdbeben- und Tsunami-Risikobewertungen.
Derzeit erfordert die Bewertung seismischer Risiken in der Regel eine umfassende Berücksichtigung von Faktoren wie Fehlerort, Gesteinsstruktur, historischen Erdbebenaufzeichnungen und Geschwindigkeit der Plattenbewegung. Allerdings können die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften, die zum Zeitpunkt eines Erdbebens im Material innerhalb der Verwerfung auftreten können, nicht immer genau in Vorhersagemodelle einbezogen werden.
Wenn Wissenschaftler die Viskositätsänderungen verschiedener Verwerfungsmaterialien unter hohen Temperaturen, hohem Druck und schnellen Gleitbedingungen besser verstehen können, könnte es möglich sein, genauer abzuschätzen, wie weit sich die Verwerfung bei einem Erdbeben bewegen kann und wie groß die Verschiebung des Meeresbodens sein kann.
Das Forschungsteam hofft, die dieses Mal etablierte Analysemethode auf moderne aktive Verwerfungen anwenden zu können, insbesondere auf jene flachen Verwerfungen in Subduktionszonen, die große Tsunamis auslösen können.
Diese Art von Verwerfung, die sich in Gebieten befindet, in denen eine tektonische Platte unter eine andere taucht, ist Schauplatz vieler der größten Erdbeben und Tsunamis der Welt. Da sich flache Verwerfungen direkt am Meeresboden befinden, kann der dort auftretende großflächige Schlupf direktere Auswirkungen auf das Meerwasser haben.
Relevante Forschungsergebnisse wurden am 27. Juni 2026 in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht. Der Artikel trägt den Titel „Shallow Fault Material in the Subduction Zone Exposes Turbulent-like Flow While Erdbeben.“
Diese Studie deckt einen leicht zu übersehenden Zusammenhang im physikalischen Mechanismus von Erdbeben auf: Verwerfungen weisen nicht immer feste Reibungseigenschaften auf. Unter extremen Bedingungen können sich ihre inneren Materialien in sehr kurzer Zeit drastisch verändern und von einer harten, festen Reibungsschnittstelle in einen Zustand übergehen, der einer Flüssigkeitsschmierung nahe kommt.
Diese Entdeckung liefert neue Forschungsrichtungen zum Verständnis, warum große Erdbeben plötzlich unerwartete Verschiebungen hervorrufen und wie das daraus resultierende Tsunami-Risiko einzuschätzen ist.
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