Verschlungene Brüche

Das Kaikoura-Erdbeben, das 2016 mit einer Stärke von 7.8 Neuseeland erschütterte, gehört zu den am besten dokumentierten Beben weltweit – und geologisch gesehen zu den komplexesten. Welche geophysikalischen Mechanismen den ungewöhnlichen Eigenschaften des Bebens zugrunde liegen, wurde bisher kontrovers diskutiert. Den LMU-Geophysikern Thomas Ulrich und Dr. Alice-Agnes Gabriel ist es nun in Kooperation mit Kollegen der Université Côte d'Azur und der Hong Kong Polytechnic University gelungen, den Ablauf des Bebens so realistisch wie noch nie zu simulieren. Ihr Modell, das auf dem Höchstleistungsrechner SuperMUC des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften lief, kann helfen, auch die Erdbebengefährdung anderer Gebiete besser einzuschätzen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Communications.

Hochleistungsberechnung eines Modells des 2016 Erdbebens in Kaikoura, Neuseeland. Seismische Wellen, Bodenbewegung und Bruchmechanik der komplizierten Verwerfungszonen werden gleichzeitig simuliert. Das Beben breitet sich entlang eines Zick-zack Weges an Land und unterseeisch aus und überspringt dabei große Distanzen. Credit: Ulrich/Gabriel, LMU

Das Kaikoura-Erdbeben ist nach Ansicht der Wissenschaftler das komplizierteste Beben, das bisher beobachtet wurde, und hat zahlreiche Fragen aufgeworfen. Ungewöhnlich ist unter anderem, dass zahlreiche Verwerfungszonen von dem Beben betroffen waren. „Wenn man die erdbebenbedingten Brüche nur an der Oberfläche betrachtet, gibt es teilweise große Lücken von mehr als 15 km. In bisherigen seismischen Gefährdungsanalysen wird angenommen, dass zwei Verwerfungszonen, die mehr als fünf Kilometer voneinander entfernt sind, bei einem Beben nicht gemeinsam brechen“, sagt Gabriel. Ungewöhnlich ist auch, dass das Beben an Land begann und dennoch zum höchsten Tsunami in diesem Gebiet seit 1947 führte, also auch auf den Meeresboden übergesprungen ist.

Mit ihren Simulationen konnten die Wissenschaftler die Ursache dieser Phänomene nun erklären. „Entscheidend für diesen Erfolg war unser realistisches Modell, das bruchphysikalische Gesetzmäßigkeiten berücksichtigt und wirklichkeitsgetreu abbildet, wie Gesteine unter der Erdoberfläche brechen und Erdbebenwellen erzeugen“, sagt Gabriel. Wie das Modell zeigte, lief bei dem Erdbeben eine komplexe Bruchkaskade ab. Die Brüche breiteten sich über einen komplizierten Zickzackweg aus. Dadurch wirkte die aus großer Entfernung gemessene Bruchgeschwindigkeit langsam, obwohl sie in Wirklichkeit in den einzelnen Verwerfungszonen von normaler Höhe war. Zu dem komplexen Bruchsystem kam es, weil die Verwerfungszonen dem Beben nur wenig Reibungswiderstand entgegensetzten. „Dies liegt unter anderem am Flüssigkeitsgehalt des Gesteins und daran, dass die Bruchflächen im Untergrund immer ein bisschen in Bewegung sind, sodass sich vorab schon Spannungen aufbauen“, sagt Gabriel. „Zudem nimmt bei hohen Bruchgeschwindigkeiten der Reibungswiderstand generell ab.“

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte ihr Modell dazu beitragen, die Erdbebengefährdung bestimmter Gebiete besser vorherzusagen. Für Risikoanalysen werden die Verwerfungszonen der betroffenen Gebiete sehr genau kartiert und deren Erdbebengefährdung eingeschätzt. „Auf Basis dieser Analysen werden unter anderem Gebäudesicherheitsstandards festgelegt. Unser realistisches und rechnerisch effizientes Modell könnte bald ein wichtiger Bestandteil solcher Analysen werden“, sagt Thomas Ulrich, Erstautor der Studie und Doktorand an der LMU.Nature Communications 2019