Wissenschaftler nutzten physikalische Modelle, um die Geschichte der seismischen Aktivität in den letzten tausend Jahren zu rekonstruieren, und stellten fest, dass viele wichtige Verwerfungen in Südkalifornien derzeit ungewöhnlich hohe tektonische Spannungen anhäufen. Diese Energie konzentriert sich hauptsächlich entlang der San-Andreas-Verwerfung und der San-Jacinto-Verwerfung, die zusammen die Relativbewegung zwischen der Pazifischen Platte und der Nordamerikanischen Platte ausmachen. Im Cajon Pass, nordöstlich von Los Angeles, laufen zwei Verwerfungen zu einem komplexen tektonischen Schnittpunkt zusammen, der seit langem die Aufmerksamkeit von Seismologen auf sich zieht, da Brüche an einer Verwerfung auf die andere „übergehen“ könnten.
In der Gegend von Los Angeles gab es seit dem Fort-Tejon-Erdbeben der Stärke 7,9 im Jahr 1857 kein größeres Erdbeben ähnlicher Stärke, aber die Spannung in der tiefen Erdkruste baut sich langsam weiter auf. Diese lange Phase der „relativen Ruhe“ bedeutet in den Augen der Forscher keine Sicherheit, sondern ein Signal für steigende potenzielle Risiken. Die neueste Forschung wurde von Dr. Liliana Burkhard von der Abteilung für Weltraumforschung und Planetenwissenschaften am Institut für Physik der Universität Bern geleitet und in Zusammenarbeit mit Institutionen wie der University of Hawaii in Manoa, dem U.S. Geological Survey Pasadena Earthquake Science Center und der Scripps Institution of Oceanography an der University of California, San Diego, durchgeführt.
Das Team erstellte ein „vierdimensionales“ physikalisches Modell des Erdbebenzyklus, um die Entwicklung von Verwerfungen im dreidimensionalen Raum und in der Zeit zu simulieren, und gab eine Abfolge von Erdbebenereignissen über etwa tausend Jahre in das Modell ein. Diese historischen Aufzeichnungen basieren auf einer Vielzahl von geologischen und umweltbedingten Hinweisen, darunter Radiokarbondatierungen, Baumringanomalien und historischen Aufzeichnungen von Oberflächenbrüchen, um den Zeitpunkt und das Ausmaß großer Erdbeben so weit wie möglich wiederherzustellen. Das Modell verfolgt sukzessive die durch jedes Erdbeben verursachten Veränderungen in der Spannungsverteilung benachbarter Verwerfungssegmente, zeichnet die kontinuierliche Anhäufung von Spannungen während Erdbebenintervallen auf und simuliert den langsamen Entspannungsprozess in den tieferen Teilen der Erdkruste nach einem schweren Erdbeben.
Modellierungsergebnisse zeigen, dass die aktuelle tektonische Belastung der damit verbundenen Verwerfungen in Südkalifornien die höchsten Werte der letzten tausend Jahre erreicht oder überschritten hat. In der Studie wurde ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Cajon-Pass eine typische „Erdbebentür“ ist, d. Historisch gesehen sind zwei Situationen aufgetreten: Das Wrightwood-Erdbeben von 1812 passierte den Cajon Pass und riss kontinuierlich die Verwerfungen San Andres und San Jacinto auf; während das Fort-Tejon-Erdbeben von 1857 hier endete und die San-Jacinto-Verwerfung nicht mehr beeinträchtigte.
Burkhard stellte fest, dass der Cajon-Pass Erdbeben nicht einfach „blockiert“ oder „kanalisiert“, sondern auf sich ändernde Stresszustände reagiert. Die Studie ergab, dass der Schlüssel zur Bestimmung, ob ein Bruch das „Erdbebentor“ überwinden kann, nicht nur in der Belastung einer bestimmten Verwerfung liegt, sondern auch darin, ob die Belastung in den beiden Verwerfungssystemen gleichzeitig zunimmt. Wenn sich die San-Andreas-Verwerfung und die San-Jacinto-Verwerfung gleichzeitig in einem hohen Spannungszustand befinden und die Spannungsgrößen ähnlich sind, ist die Bildung eines großräumigen Durchgangsbruchs zwischen den beiden förderlicher; im Gegenteil, wenn die beiden Spannungen nicht synchronisiert sind, ist es wahrscheinlicher, dass der Bruch am Schnittpunkt endet.
Aktuelle Modelle schätzen die Coulomb-Belastung im San Jacinto-Bernardino-Segment auf etwa 3,6 MPa, mehr als alles, was in Simulationen von tausend Jahren beobachtet wurde. Die Spannung im angrenzenden Mojave-Südabschnitt der San-Andreas-Verwerfung beträgt etwa 2,8 MPa, was ebenfalls auf einem hohen Niveau liegt und sich nicht wesentlich von ersterem unterscheidet. Dieses Muster, bei dem zwei Verwerfungssegmente gleichzeitig stark belastet sind und ähnliche Spannungen aufweisen, korrespondierte in früheren Aufzeichnungen oft mit großen Bruchereignissen in beiden Verwerfungsgruppen, was das Forschungsteam besonders wachsam gegenüber zukünftigen regionalen Erdbebenszenarien machte.
Wenn ein zukünftiges schweres Erdbeben von einer Seite der San-Andreas- oder San-Jacinto-Verwerfungen ausbrechen und die beiden Verwerfungsgruppen erfolgreich über den Cajon-Pass verbinden würde, wären die Auswirkungen weitaus größer als bei einem Ereignis, das auf eine einzelne Verwerfung beschränkt wäre. Zu den gefährdeten Gebieten gehören einige der am dichtesten besiedelten und infrastrukturintensivsten Korridore in den Vereinigten Staaten, wie der Großraum Los Angeles, San Bernardino, Riverside und das Coachella Valley. Der Kahun-Pass selbst ist eine wichtige Verkehrsader mit vielen Autobahnen, Eisenbahnen und Energieübertragungsleitungen. Sobald es zu einem Durchbruch kommt, wird es schwerwiegende Auswirkungen auf die Verkehrs- und Energienetze haben.
Wann und wie das nächste große Erdbeben in Südkalifornien stattfinden wird, sei eine der dringendsten Fragen in der angewandten Geowissenschaft, sagte Burkhard. Das vom Team entwickelte physikalische Modell liefert ein klareres quantitatives Bild des Spannungszustands des aktuellen Verwerfungssystems, und dieser analytische Rahmen ist nicht nur auf Kalifornien, sondern auch auf andere komplexe Verwerfungskreuzungsgebiete auf der ganzen Welt anwendbar, um potenzielle Erdbebenrisiken abzuschätzen. Sie betonte auch, dass es sich bei dieser Studie nicht um eine direkte Vorhersage des Zeitpunkts des Erdbebenaufkommens handele, sondern weist darauf hin, dass sich das aktuelle System in einem „kritischen Belastungszustand“ befinde und verschiedene mögliche Szenarien in die Planung zur Katastrophenprävention und -reduzierung einbezogen werden müssten.
Den Forschern zufolge können Menschen durch ähnliche physikalische Modellierungsmethoden den Akkumulationsprozess langfristiger tektonischer Spannungen und den „Gating“-Effekt wichtiger Verwerfungskreuzungsbereiche besser verstehen und so eine wissenschaftliche Grundlage für die Risikobewertung, die Auswahl und Verstärkung von Infrastrukturstandorten sowie die Notfallvorsorge liefern. Das entsprechende Papier trägt den Titel „Cajon Pass and the Southern San Andreas Fault System: Earthquake Cyclic Stress Accumulation and Current Loading Conditions“ und wurde im „Journal of Geophysical Research: Solid Earth“ veröffentlicht. Es wurde gemeinsam von der Universität Bern und mehreren amerikanischen Forschungseinrichtungen unterzeichnet und vom California State Earthquake Center und der National Science Foundation finanziert.