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Neues Modell für genauere Erdbebenvorhersage

Die Geowissenschaft hat eine neue Gleichung entwickelt, um besser prognostizieren zu können, wann und wo Erdbeben auftreten könnten.

Grundlagenforschung

Es ist schwierig, Erdbeben vorherzusagen, was wiederum die Koordination von Evakuierungsmaßnahmen im Vorfeld erschwert, durch die sich viele Menschenleben retten lassen. Nach Angaben der US-amerikanischen Behörde für geologische Untersuchungen kamen zwischen 2000 und 2019 weltweit mehr als 800 000 Menschen durch Erdbeben ums Leben. Erdbeben können zwar mithilfe eines seismografischen Netzwerks aufgezeichnet werden, doch ist es nicht möglich, die Ausmaße sowie den Zeitpunkt und Ort des Auftretens eines möglicherweise bevorstehenden Erdbebens genau zu bestimmen. Was wäre, wenn sich eine neue Möglichkeit zur Verbesserung von Erdbebenvorhersagen eröffnen würde? Eine Forschungsgruppe, die teilweise Unterstützung durch das EU-finanzierte Projekt DEGASS (An experimental approach to understand inDuced sEismicity in GAS Shales) erhielt, hat mit der Konzeption eines mathematischen Modells exakt diese Möglichkeit geschaffen. Das Modell versetzt die Geophysik in die Lage, genauer vorhersagen zu können, wann und wo Erdbeben möglicherweise auftreten werden. Zusammen mit ihren Kollegen vom DEGASS-Projektkoordinator Universität Liverpool sowie von der Universität Utrecht setzte die Geowissenschaftlerin Sabine A. M. den Hartog anstelle von Laborexperimenten auf die Mathematik. Den Hartog selbst gehört dem Lyell Centre an, einer Kooperation zwischen der Heriot-Watt Universität und der britischen Behörde für geologische Untersuchungen. Das Team richtete seine Arbeit auf die Prognose der Reibungsfestigkeit aus, also der Kraft, die der Bewegung entlang einer Fehlstelle in Schichtsilikaten zugrunde liegt. Bei diesen Silikaten handelt es sich um eine Mineralart, die in Form dünner Schichten rund um die schwächsten Bereiche der Fehlstellen in der Erdkruste vorkommen, wo auch Erdbeben auftreten. In einer Pressemitteilung auf der Website der Heriot-Watt Universität wird erklärt: „Die Erdbebenforschung stellt oft die Bewegung entlang simulierter Fehlstellen in ihren Laboren nach. Damit sollen die auf Mikroebene ablaufenden Vorgänge, die zu Erdbeben führen, ergründet werden. Diese Experimente haben den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zwar geholfen, die Fehlstellendynamik und Erdbeben an sich viel besser zu verstehen. Jedoch stoßen sie an gewissen Grenzen, denn es ist schwierig, die extremen Bedingungen, die in den Tiefen der Erdkruste herrschen, im Rahmen von Laborexperimenten zu reproduzieren. In derselben Mitteilung merkt den Hartog an, dass das Team „einen Satz von Gleichungen formuliert hat, um vorherzusagen, wie sich die Reibungsfestigkeit von Schichtsilikaten in Reaktion auf neue Bedingungen verändert, etwa wenn sich die Feuchtigkeit oder die Geschwindigkeit der Bewegung entlang der Fehlstellen erhöhen oder verringern. Sie betont, dass ihr Verfahren „die Simulation der Fehlstellenbewegung bei natürlichen Bedingungen, einschließlich Erdbeben, im Zuge von Modellierungen erheblich erleichtert.“ Den Hartog fügt an: „Unser Modell prognostiziert, dass diese Bewegung entlang der Fehlstellenbereiche, die reich an Schichtsilikaten sind, mühsamer vorangeht, wenn die Bewegung schneller wird. Die Experimente kommen zum gleichen Ergebnis. Dieses Verhalten hemmt ein Erdbeben eher. So liegt es nahe, dass, wenn Schichtsilikate auch leicht nachgeben und eine leise Bewegung entlang der Fehlstellen ermöglichen, doch andere Minerale bei der Entstehung von Erdbeben eine wichtige Rolle spielen.“

Noch mehr Forschungsarbeit nötig

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift für geophysikalische Forschung „Journal of Geophysical Research: Solid Earth“ veröffentlicht. Während bisher zahlreiche Anstrengungen unternommen wurden, qualitativ zu erklären, weshalb Schichtsilikate einen solch niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, insbesondere bei Anwesenheit von Wasser, stellt unsere Studie einen neuen Schritt in Richtung eines quantitativen Modells, das sich auf die Physik stützt, dar. In der Pressemitteilung der Heriot-Watt Universität gibt den Hartog an, dass weitere Forschungsarbeit nötig ist, um das Modell zu verbessern. „Wir konnten nicht erklären, wie die Kräfte, die verhindern, dass Fehlstellen wandern, mit den Kräften, die die Fehlstellenbewegung in Gang setzen können, in Verbindung stehen. Es gibt also in diesem Bereich noch einiges zu tun.“ Das Projekt DEGASS endete im Jahr 2017. Es untersuchte „die Bedingungen und die Deformationsmechanismen auf der Mikroebene, die zu stabiler bzw. unstabiler Wanderung reaktivierter Fehlstellen in Gasschiefer mit hohem Ton- und Quarzgehalt führen“, wie es im Informationsblatt des Projekts heißt. Schiefergas ist ein Erdgas und kommt in feinkörnigem, klastischem Sedimentgestein, das Tonstein oder Schluffstein enthält, vor. Weitere Informationen: Projekt DEGASS

Schlüsselbegriffe

DEGASS, Erdbeben, Schichtsilikate, Fehlstelle, Kruste

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