Heiße Erkenntnisse: Wie Erdbeben Energie in Schmelze umwandeln können
Ein Team von Geophysikern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat erstmals den vollständigen Energiehaushalt von Erdbeben in Laborversuchen nachvollziehen können. Mit Hilfe von künstlich erzeugten Mikroerdbeben im Labor ist es gelungen, zu zeigen, was mit dem Großteil der bei einem Erdbeben freigesetzten Energie geschieht, denn nur ein vergleichsweise geringer Prozentsatz der Erdbebenenergie wird in die gefürchteten Erdbebenwellen umgewandelt, die katastrophale Folgen haben können. Die Experimente zeigen, dass ein Erdbeben weit mehr verursacht als nur ein spürbares Rütteln des Bodens: Der überwiegende Teil der freigesetzten Energie wird in Wärme umgesetzt.
Für ihre Studie simulierte das Team Erdbeben im Mikromaßstab, indem es synthetische Granitproben unter kontrollierten Druckbedingungen bis zum plötzlichen Versagen belastete. Die Messungen ergaben, dass rund 80 Prozent der Energie in Wärme übergehen, etwa zehn Prozent seismische Erschütterungen erzeugen und weniger als ein Prozent für die Zerkleinerung von Gestein aufgewendet wird. Diese Angaben sind gerundet, denn die Forscher gaben in ihrer Studie vergleichsweise große Schwankungsräume an.
Die Umwandlung der Energie in Wärme erzeugt dabei enorme Temperaturspitzen: Innerhalb von Mikrosekunden kann sich das Gestein auf bis zu 1.200 Grad Celsius erhitzen, bevor es ebenso schnell wieder abkühlt.
Diese extremen Bedingungen führen dazu, dass an den Gleitflächen der Gesteinsbruchzonen bzw. Störungen dünne Schmelzfilme entstehen – ein Phänomen, das auch in der Natur beobachtet wird. Geologen bezeichnen solche glasartigen Strukturen als Pseudotachylite. Sie bilden sich häufig entlang von Scherzonen, insbesondere in Subduktionszonen, wo sich Spannungen über lange Zeiträume aufbauen und schließlich ruckartig entladen. Solche Schmelzfilme können das weitere Verhalten einer Verwerfung beeinflussen, indem sie kurzfristig wie Schmiermittel wirken und das Abrutschen erleichtern. Das verursacht eine Art Rückkopplungseffekt, denn dadurch wird ein größerer Teil der Erdbebenenergie in seismische Wellen verwandelt, was größere Schadenswirkungen mit sich bringt.
Die neuen Erkenntnisse haben weitreichende Bedeutung für die Einschätzung seismischer Gefahren. Bislang ließ sich nur der Anteil der Erdbebenenergie messen, der in Form von Bodenerschütterungen an der Oberfläche ankommt. Wärmeproduktion und unterirdische Gesteinsbrüche blieben größtenteils verborgen. Das MIT-Team zeigt nun, dass der Wärmeeintrag nicht vernachlässigt werden darf und möglicherweise auch auf die langfristige Stabilität von Verwerfungen wirkt.
Darüber hinaus werfen die Ergebnisse spannende Fragen für die Magmenentstehung auf. Zwar ist die Energiemenge eines einzelnen Bebens zu gering, um große Schmelzvolumina zu erzeugen, doch wiederholte Erdbeben könnten möglicherweise lokal genug Wärme eintragen, um bereits teilweise aufgeschmolzenes Gestein weiter zu verflüssigen. Auf diese Weise könnte der Prozess indirekt die Migration von Magma begünstigen – insbesondere in geodynamisch aktiven Regionen, wie wir es aktuelle in Kamtschatka sehen.
Die Forschenden hoffen, dass ihre Laborversuche helfen, Erdbebenmodelle zu verbessern und das Risiko künftiger Ereignisse präziser abzuschätzen. Denn je besser bekannt ist, wohin die Energie eines Bebens fließt, desto genauer lässt sich auch seine zerstörerische Wirkung einschätzen. (Quellen: AGU, Pressemeldung MIT)