Warum Erdbeben entstehen (und warum wir sie nicht vorhersagen können)

Es war 5:12 Uhr morgens am 18. April 1906, und der Großteil von San Francisco schlief noch. Unter der Sacramento Street und entlang von etwa 477 Kilometern der San-Andreas-Verwerfung gaben zwei gewaltige Schollen der Erdkruste, die seit Jahrzehnten miteinander verkeilt gewesen waren, endlich nach. Die Pazifische Platte ruckte innerhalb von Sekunden nach Nordwesten an der Nordamerikanischen Platte vorbei, der Boden hob sich, und ein Erdbeben der Stärke 7,9 rollte durch die Stadt. Innerhalb von Minuten kletterten die ersten Feuer durch die Trümmer in Richtung Bucht, und in den folgenden drei Tagen würden diese Brände weit mehr Schaden anrichten als das Beben selbst. Als sich der Rauch verzogen hatte, war ein Großteil der Stadt verschwunden.

Was an diesem Morgen geschah, war keine zufällige Gewalt eines zornigen Planeten. Es war die plötzliche Entladung von Energie, die sich über eine ganze Menschengeneration hinweg unbemerkt im Gestein angesammelt hatte und die nun auf die einzige Weise freigesetzt wurde, die die Physik zulässt. Zu verstehen, wie das funktioniert, erklärt sowohl, warum Erdbeben entlang bestimmter Linien auf der Karte unvermeidlich sind, als auch, warum wir trotz mehr als einem Jahrhundert sorgfältiger Forschung noch immer nicht sagen können, an welchem Tag eines zuschlagen wird. Dies ist die Geschichte dessen, was ein Erdbeben tatsächlich ist, wie wir es messen und warum die Vorhersage, die wir uns wünschen, weiterhin unerreichbar bleibt.

Das langsame Pressen und das plötzliche Losreißen

Nimmt man die Dramatik weg, ist ein Erdbeben ein bemerkenswert einfacher mechanischer Vorgang. Es ist die schnelle Freisetzung elastischer Spannung, die im Gestein auf beiden Seiten einer Verwerfung gespeichert ist. Eine Verwerfung ist ein Bruch in der Kruste, an dem sich zwei Gesteinsblöcke gegeneinander bewegen können, und das Schlüsselwort in dieser Definition lautet „elastisch". Gestein verhält sich, obwohl es sich völlig starr anfühlt, wenn man darauf steht, unter anhaltendem Druck ein wenig wie eine Stahlfeder. Es biegt sich.

Das entscheidende Missverständnis, mit dem aufgeräumt werden muss, ist die Vorstellung von Platten, die reibungslos aneinander vorbeigleiten. Das tun sie nicht. Die beiden Seiten einer Verwerfung verhaken sich durch Reibung und verkeilen sich miteinander, manchmal über Hunderte von Jahren, doch die Kräfte, die die Plattenbewegung antreiben, hören niemals auf zu drücken. Während die Verwerfungsfläche also festsitzt, verformt sich das Gestein auf beiden Seiten langsam und speichert Energie genau so, wie es ein gebogenes Lineal tut. Schließlich übersteigt die angesammelte Spannung die Stärke der Reibung, die die Verwerfung geschlossen hält. Das Gestein schnellt in seine spannungsfreie Form zurück, die beiden Blöcke rucken innerhalb von Sekunden aneinander vorbei, und all die gespeicherte elastische Energie strahlt als das Beben ab, das wir spüren.

Diese Vorstellung, dass sich Verwerfungen langsam aufladen und plötzlich aufreißen, nennt man die Theorie der elastischen Rückfederung, und sie wurde unmittelbar nach 1906 von dem Geophysiker Henry Fielding Reid ausgearbeitet. Er bemerkte, dass Vermessungslinien, die die San-Andreas-Verwerfung kreuzten, in den Jahren vor dem Beben sichtbar verbogen und während des Bebens dann gewaltsam wieder gerade gezogen worden waren, als hätte man einen gespannten Bogen losgelassen. Mehr als ein Jahrhundert später bildet die elastische Rückfederung weiterhin das Fundament dafür, wie Geologen das Verhalten von Verwerfungen verstehen, und sie liefert eine unbequeme Schlussfolgerung: Jede verkeilte Verwerfung ist per Definition gerade in diesem Augenblick damit beschäftigt, die Energie für ihr nächstes Erdbeben zu speichern.

Die San-Andreas-Verwerfung und die drei Arten, wie Gestein brechen kann

Die Verwerfung, die San Francisco zerstörte, ist das Musterbeispiel für einen von drei grundlegenden Verwerfungstypen, und es lohnt sich, alle drei kennenzulernen, denn sie passen säuberlich zur Architektur der Plattentektonik. Die San-Andreas-Verwerfung ist ein nahezu senkrechter Bruch, der die Grenze zwischen der Pazifischen Platte und der Nordamerikanischen Platte markiert und sich über etwa 1.200 Kilometer vom Salton Sea im Süden bis zum Cape Mendocino im Norden erstreckt. Dabei verläuft sie so nah an Städten wie Daly City vorbei, dass die Grenze zwischen zwei großen Platten den Menschen fast durch den Garten geht.

Verwerfungen werden danach klassifiziert, wie sich die beiden Blöcke gegeneinander bewegen. Die San-Andreas-Verwerfung ist eine Blattverschiebung, was bedeutet, dass die Blöcke horizontal aneinander vorbeigleiten, mit kaum vertikaler Bewegung, wie zwei Hände, die Handfläche an Handfläche aneinander reiben. Der zweite Typ ist die Abschiebung, die dort entsteht, wo die Kruste auseinandergezogen und gedehnt wird, sodass ein Block (der Hangendblock) gegenüber dem anderen absinken kann. Der dritte ist die Aufschiebung oder ihre flach geneigte Verwandte, die Überschiebung, die dort entsteht, wo die Kruste zusammengepresst wird und den Hangendblock über den anderen Block hinauf und hinüber drückt.

Diese drei Formen sind nicht willkürlich. Sie entsprechen den drei Dingen, die Plattengrenzen tun können. Wo Platten aneinander vorbeigleiten, entsteht eine Blattverschiebung; wo sie auseinanderdriften, entsteht eine Abschiebung; wo sie zusammenstoßen und eine unter die andere gezwungen wird, entstehen Auf- und Überschiebungen. Die Art und Weise, wie der Boden bei einem gegebenen Erdbeben bricht, ist daher ein direkter Hinweis auf die größeren Kräfte, die diesen Abschnitt des Planeten formen, weshalb ein Geologe einem die lokale plattentektonische Geschichte oft schon allein aus der an einer einzigen Verwerfung aufgezeichneten Bewegung erzählen kann.

Dem Beben eine Zahl geben

Über den Großteil der Menschheitsgeschichte hinweg konnten Erdbeben nur durch ihre Auswirkungen beschrieben werden, was es unmöglich machte, ein Ereignis sinnvoll mit einem anderen zu vergleichen. Das änderte sich 1935, als Charles Richter, der mit Beno Gutenberg am Caltech arbeitete, die lokale Magnitudenskala veröffentlichte, um die Erdbeben Südkaliforniens auf eine einzige Zahl zu bringen, die sich aus der Größe der auf einem Standardseismografen aufgezeichneten Ausschläge ableitet.

Das prägende Merkmal der Skala ist, dass sie logarithmisch ist, und das ist die am meisten missverstandene Tatsache über Erdbeben. Jeder ganzzahlige Schritt nach oben auf der Skala steht für eine etwa zehnfache Zunahme der Amplitude der Bodenbewegung und, weil die Energie noch steiler skaliert, für etwa 32-mal mehr freigesetzte Energie. Eine Magnitude 7 ist also in keinem gewöhnlichen Sinne „doppelt so groß" wie eine Magnitude 6. Sie erschüttert den Boden etwa zehnmal so stark und setzt etwa 32-mal so viel Energie frei. Steigt man zwei Stufen hinauf, von Magnitude 6 auf Magnitude 8, dann redet man von einem ungefähr tausendfachen Sprung in der Energie.

Die Richterskala leistete bei mittelstarken Erdbeben gute Dienste, hatte aber am oberen Ende einen verhängnisvollen Fehler. Sie sättigt sich oberhalb von etwa Magnitude 7, was bedeutet, dass die allergrößten Erdbeben alle mit ähnlichen Zahlen herauskamen, selbst wenn eines weitaus verheerender war als ein anderes, weil die Wellen, die Richter maß, bei riesigen Brüchen nicht mehr proportional zur wahren Größe anwachsen. Im Jahr 1979 führten Thomas Hanks und Hiroo Kanamori die Momenten-Magnituden-Skala ein, um das zu beheben. Statt eine einzelne Wellenamplitude abzulesen, wird sie aus den physikalischen Bestandteilen des Bruches selbst berechnet: aus der Verwerfungsfläche, die abgeglitten ist, aus der Strecke, um die sie abgeglitten ist, und aus der Steifigkeit des Gesteins. Das verleiht den größten Ereignissen die Größe, die sie wirklich verdienen, und es ist die Skala, die zitiert wird, wann immer ein schweres Erdbeben in die Nachrichten gerät, auch wenn die Leute sie noch immer salopp „die Richterskala" nennen.

Vom verborgenen Herd zur triangulierten Karte

Jedes Erdbeben beginnt an einem Punkt in der Kruste, an dem der Bruch zuerst losreißt, dem sogenannten Herd oder Hypozentrum. Der Punkt an der Oberfläche direkt darüber, der Ort, den die Menschen für den Standort des Bebens halten, ist das Epizentrum. Vom Herd aus strahlt Energie in mehreren Familien seismischer Wellen nach außen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, und dieser Geschwindigkeitsunterschied erweist sich als der Kniff, der es uns überhaupt erst ermöglicht, Erdbeben zu orten.

Am schnellsten sind die P-Wellen oder Primärwellen, die kompressiv sind und das Gestein in ihrer Ausbreitungsrichtung schieben und ziehen, ganz ähnlich wie Schall durch den Boden. Hinter ihnen kommen die langsameren S-Wellen oder Sekundärwellen, die das Gestein seitlich abscheren und nicht durch Flüssigkeit hindurchdringen können. Als Letzte und meist zerstörerischste kommen die Oberflächenwellen, die sich entlang des Bodens selbst ausbreiten und einen Großteil der Erschütterungen verursachen, die Gebäude zum Einsturz bringen. Eine einzelne Seismografenaufzeichnung zeigt diese Abfolge zeitlich aufgereiht: zuerst die P-Welle, dann die S-Welle, dann das lange Rollen der Oberflächenwellen.

Der Abstand zwischen dem Eintreffen der P-Welle und der S-Welle ist der Schlüssel. Weil sich die beiden Wellen mit bekannten, unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, verrät die Größe dieses Zeitabstands einem Seismologen, wie weit der Herd entfernt war, auf dieselbe Weise, wie man die Entfernung eines Blitzeinschlags aus der Verzögerung zwischen Blitz und Donner abschätzt. Eine einzelne Station liefert einem die Entfernung, aber nicht die Richtung, daher braucht man mindestens drei. Jede Station zeichnet einen Kreis möglicher Entfernungen um sich selbst, und der eine Ort, an dem sich alle drei Kreise treffen, ist das Epizentrum. Diese Triangulation, die heute über globale Netzwerke durchgeführt wird, die ihre Aufzeichnungen nahezu in Echtzeit teilen, ortet ein Erdbeben innerhalb von Minuten irgendwo auf dem Planeten.

Wenn sich der Meeresboden hebt und der Ozean antwortet

Die größten Erdbeben, die die Erde hervorbringt, und die mit weitem Abstand tödlichsten, ereignen sich an einer besonderen Art von Verwerfung, die unter dem Meer verborgen ist. An Subduktionszonen, wo eine tektonische Platte unter eine andere abtaucht, bildet der Kontakt zwischen der absinkenden ozeanischen Platte und der darüber liegenden Platte eine sanft geneigte Fläche, die man Megathrust nennt. Weil sich diese Berührungsfläche über einen enormen Bereich verkeilen kann, speichert sie eine gewaltige Menge an Spannung, bevor sie versagt, und wenn das geschieht, bringt sie die größten Zahlen auf der Magnitudenskala hervor.

Das Erdbeben von Valdivia im Jahr 1960 vor der Küste Chiles erreichte Magnitude 9,5, das stärkste jemals instrumentell aufgezeichnete, und das Tōhoku-Erdbeben von 2011 vor der nordöstlichen Küste Japans erreichte Magnitude 9,0 oder 9,1. Was Megathrust-Ereignisse einzigartig gefährlich macht, ist nicht nur ihre Größe, sondern ihre Geometrie. Wenn die Verwerfung aufreißt, schiebt sie einen riesigen Bereich des Meeresbodens um mehrere Meter nach oben, und diese plötzliche Verschiebung stößt die gesamte Wassersäule darüber an. Das Ergebnis ist ein Tsunami, eine Reihe langwelliger Wellen, die einen Ozean überqueren und Küsten Tausende Kilometer vom Epizentrum entfernt verwüsten können. Das Wasser, das 2011 in Japan ins Landesinnere schwappte, war die unmittelbare Folge davon, dass der Meeresboden während jener wenigen Minuten des Bruches in die Höhe sprang.

Warum die ehrliche Antwort lautet „Wir wissen nicht, wann"

Angesichts all dessen, was wir nun verstehen, stellt sich die offensichtliche Frage, warum wir das nächste Beben nicht einfach vorhersagen können. Wir wissen, wo die gefährlichen Verwerfungen liegen, und wir wissen, dass sie sich langsam aufladen und plötzlich aufreißen. Wir können sogar aus vergangenen Erdbeben und der langsamen Ansammlung von Spannung abschätzen, wie hoch die langfristige Wahrscheinlichkeit ist, dass eine bestimmte Verwerfung innerhalb der kommenden Jahrzehnte aufreißt. Diese Art der Prognose, ausgedrückt als Wahrscheinlichkeit über eine Spanne von Jahren, ist wirklich nützlich und liegt Bauvorschriften und Versicherungen zugrunde.

Was wir nicht können, ist den Tag, die Stunde, die Magnitude vorherzusagen. Der Grund ist in die zuvor beschriebene Physik eingewoben. Eine Verwerfung bleibt verkeilt, bis die Spannung die Reibung, die sie geschlossen hält, gerade eben so übersteigt, und diese Schwelle hängt von Details ab, die wir nicht messen können: von der genauen Rauheit der Verwerfungsfläche Kilometer unter der Erde, von der exakten Verteilung der Spannung, vom Druck der Flüssigkeiten in winzigen Rissen. Ein winziger, nicht messbarer Unterschied im entscheidenden Augenblick bestimmt darüber, ob ein kleiner Fleck harmlos abgleitet oder ob sich der Bruch zu einem großen Erdbeben auswächst. Jahrzehntelange Suche nach verlässlichen Vorläufersignalen, nach Vorbeben, Bodenneigung, Veränderungen im Brunnenwasser, im Verhalten von Tieren, hat nichts hervorgebracht, was beständig funktioniert, weil dieselben kleinen Signale ständig auftreten, ohne dass ein Erdbeben darauf folgt. Die intellektuell ehrliche Haltung, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft vertreten wird, ist, dass eine kurzfristige Erdbebenvorhersage derzeit nicht möglich ist und es vielleicht nie sein wird. Der beste Schutz besteht nicht darin, die Zukunft vorherzusagen, sondern für den Bruch zu bauen, von dem wir wissen, dass er kommt.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Ein Erdbeben ist die schnelle Freisetzung elastischer Spannung, die sich aufbaut, während sich das Gestein auf beiden Seiten einer verkeilten Verwerfung unter der unerbittlichen Plattenbewegung langsam verformt, bis die Reibung nachgibt und die Blöcke aneinander vorbeischnellen, eine Idee, die nach dem Beben von San Francisco 1906 erstmals als Theorie der elastischen Rückfederung formalisiert wurde. Verwerfungen gibt es in drei Typen, Blattverschiebung, Abschiebung und Aufschiebung, die unmittelbar den drei Dingen entsprechen, die Plattengrenzen tun (aneinander vorbeigleiten, auseinanderdriften oder zusammenstoßen), mit der San-Andreas-Verwerfung als dem klassischen Beispiel für eine Blattverschiebung. Die Magnitude ist logarithmisch, sodass jeder Schritt nach oben etwa das Zehnfache der Bodenbewegung und ungefähr das 32-Fache der Energie bedeutet, weshalb die Richterskala von 1935 für große Ereignisse schließlich durch die Momenten-Magnituden-Skala von 1979 ersetzt wurde, die aus Verwerfungsfläche, Versatz und Gesteinssteifigkeit aufgebaut ist. Erdbeben beginnen an einem Herd unterhalb eines Epizentrums, senden P-, S- und Oberflächenwellen aus, deren unterschiedliche Geschwindigkeiten es drei Stationen ermöglichen, den Standort zu triangulieren, und erreichen ihre katastrophalste Form an Subduktions-Megathrusts, wo Brüche wie Valdivia 1960 und Tōhoku 2011 den Meeresboden anheben und ozeanüberquerende Tsunamis auslösen. Wir können langfristige Wahrscheinlichkeiten prognostizieren, doch der genaue Augenblick des Bruches hängt von unzugänglichen unterirdischen Bedingungen und einer verschwindend empfindlichen Auslöseschwelle ab, weshalb eine verlässliche kurzfristige Vorhersage für uns unerreichbar bleibt.