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Der Mechanismus von Tiefbeben

Jahrzehntelang waren Erdbeben, deren Herde in Tiefen von mehreren hundert Kilometern liegen, Geophysikern ein Rätsel. Nun endlich konnte geklärt werden, wie und warum sie sich ereignen.

Am 8. Juni letzten Jahres kam es im Erdmantel unter Bolivien in mehr als 600 Kilometern Tiefe zu einer gewaltigen Erschütterung. Es war das schwerste Beben mit einem so tief gelegenen Herd, das je aufgezeichnet wurde, und das stärkste überhaupt in den vergangenen 15 Jahren. Die Stöße waren bis hinauf nach Toronto in Kanada zu spüren; nie zuvor hatte ein Beben die Erde so weit von seinem Epizentrum noch derart stark erzittern lassen.

Das Ereignis war jedoch nicht nur spektakulär, sondern in gewissem Sinne auch paradox. Obwohl Tiefbeben immer wieder auftreten, dürfte es sie nach den herkömmlichen Theorien nämlich gar nicht geben. Dieser Widerspruch hat die Geophysiker seit der Entdeckung solcher Beben im Jahre 1927 beschäftigt. Seit fünf Jahren haben meine Mitarbeiter und ich an der Universität von Kalifornien – zunächst in Davis, dann in Riverside – an der Lösung des Rätsels gearbeitet; inzwischen ist aus unseren Untersuchungen eine neue Erdbebentheorie hervorgegangen.


Die Tiefenverteilung von Bebenherden

Die meisten Erdbeben entspringen nur einige Dutzend Kilometer unter der Erdoberfläche und laufen nach denselben Mechanismen ab, die Glas zum Zerbrechen und Reifen auf der Fahrbahn zum Quietschen bringen: durch Sprödbruch und Reibungsgleiten. Immerhin fast 30 Prozent ereignen sich allerdings unterhalb von 70 Kilometern Tiefe, wo Drücke von mehr als 2 Gigapascal (dem Zwanzigtausendfachen des Atmosphärendrucks in Meereshöhe) herrschen. Bei annähernd 8 Prozent liegt der Herd sogar in Tiefen von mehr als 300 Kilometern, in denen der Druck 10 Gigapascal übersteigt. Bei so hohen Drücken beginnt das Gestein sich plastisch zu verformen, bevor die Spannung erreicht ist, unter der es brechen oder sich als starrer Block entlang einer bereits existierenden Verwerfung verschieben könnte. Tiefbeben sollten demnach eigentlich unmöglich sein.

Dennoch kommen sie vor – allerdings nur in relativ dünnen, scheibenartigen Abschnitten im Erdinneren, die von ozeanischen Gräben ausgehen und schräg in den Erdmantel hineinreichen (Bild 2). Nach der Theorie der Plattentektonik gleiten an diesen sogenannten Subduktionszonen Teile der kalten, festen äußeren Schicht der Erde – der 50 bis 100 Kilometer mächtigen Lithosphäre – in den Mantel hinab. Als Ausgleich dafür steigt an ozeanischen Rücken geschmolzenes Material auf und bildet neue Lithosphäre.

Im Bereich der Subduktionszonen nimmt die Häufigkeit von Erdbeben von der Oberfläche bis in etwa 300 Kilometer Tiefe zunächst exponentiell ab, dann jedoch wieder zu und erreicht bei 550 bis 600 Kilometern ein Maximum, bevor sie erneut abfällt. Unterhalb von etwa 680 Kilometern schließlich gibt es gar keine Erdbeben mehr.

Die stetige Abnahme der Bebenhäufigkeit bis in etwa 300 Kilometer Tiefe steht in Einklang mit der Annahme, daß Erschütterungen in Tiefen zwischen 70 und 300 Kilometern (Zwischenbeben genannt) ebenso wie die innerhalb der Lithosphäre durch Sprödbruch und Reibungsgleiten hervorgerufen werden. Die noch weiter unten entspringenden Tiefherd-Beben müssen dagegen auf einem anderen Mechanismus beruhen. Dessen Einzelheiten blieben mehr als sechs Jahrzehnte verborgen.

Immerhin ergaben jahrelange Untersuchungen der Vorgänge an Subduktionszonen gewisse Hinweise, worin die Ursache der Tiefbeben liegen könnte. In der Nähe der Erdoberfläche bestehen die Gesteine aus Mineralen, in denen die Atome relativ locker gepackt sind. Mit steigendem Druck in größeren Tiefen ordnen die Atome sich jedoch um und bilden Kristallstrukturen zunehmend höherer Dichte.

Die erste solche Phasenumwandlung (ein in sich homogenes Medium wird wissenschaftlich als Phase bezeichnet) tritt in den meisten Abschnitten des Mantels in einer Tiefe von etwa 400 Kilometern auf; dabei geht Olivin, das häufigste Mineral des oberen Mantels, in eine Phase über, die 6 Prozent dichter ist und die gleiche Struktur wie Spinell hat. Daher nimmt die Geschwindigkeit seismischer Wellen in dieser Tiefe sprunghaft zu.

Bei 660 Kilometern wird die Spinell-Form ihrerseits instabil und zerfällt in zwei Phasen, welche gemeinsam weitere 8 Prozent dichter sind. Dadurch erhöht sich die seismische Geschwindigkeit erneut abrupt; dieser Sprung markiert die Grenze zwischen dem oberen und dem unteren Mantel.

Eine abtauchende Platte ist kühler als das umgebende Mantelmaterial. Unter diesen Bedingungen bildet sich die Spinell-Struktur schon bei etwas geringerem Druck und bleibt bis zu höheren Drücken stabil als gewöhnlich. Deswegen erstreckt sich der Stabilitätsbereich dieser Phase von etwa 300 bis 700 Kilometer Tiefe. Das ist genau die Region, in der sich Tiefbeben ereignen (Bild 3).

Wegen dieser Korrelation hat man jahrelang immer wieder versucht, die Verteilung von Tiefbeben mit den genannten Phasenumwandlungen in Beziehung zu setzen. Dabei sah man den entscheidenden Faktor in der Verdichtung, die mit den Reaktionen einhergeht. Einige Forscher meinten, daß die plötzliche Umwandlung einer größeren Menge Olivin in Spinell eine Implosion hervorrufen würde, die weithin merkliche seismische Wellen auslösen könnte. Spätere Untersuchungen widerlegten diese Hypothe-se jedoch; denn sie ergaben, daß sich das Abstrahlungsmuster der seismischen Energie, die von Tiefbeben ausgeht, nicht von demjenigen oberflächennaher Beben unterscheiden läßt. Auch in diesem Falle sollte demnach eine Bewegung entlang einer Verwerfung stattfinden.


Umwandlung von Olivin in Spinell

Direkte Experimente bei den außerordentlichen Drücken, wie sie im tiefen Erdkörper auftreten, sind erst in den letzten drei Jahrzehnten möglich geworden. Im Jahre 1976 zeigten Chien-Min Sung und Roger G. Burns vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, daß die Umwandlung von Olivin in Spinell bei den Temperaturen und Drücken, die im kalten Kern einer Subduktionszone zu erwarten sind, wahrscheinlich kinetisch gehemmt wäre, das heißt so langsam abliefe, daß sie unter Umständen mehrere zehn Millionen Jahre dauern könnte. In jüngerer Zeit haben David C. Rubie und seine Kollegen vom Bayerischen Geoinstitut dieses Ergebnis bestätigt und nachgewiesen, daß Olivin in rasch abtauchender Lithosphäre als metastabile Phase bestehenbleibt.

Ebenfalls 1976 stellten J. Rimas Vaisnys und Carol C. Pilbeam von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) die Hypothese auf, daß bei der Umwandlung von Olivin in Spinell unter bestimmten Bedingungen eine Verwerfungs-Instabilität auftreten könnte. Ausgehend von der Tatsache, daß bei dieser Umwandlung Wärme frei wird, entwickelten sie die Idee einer thermischen Kettenreaktion, bei der die freigesetzte Wärme die Phasenumwandlung in der Umgebung beschleunigt, wodurch mehr Wärme entsteht und die Reaktion noch schneller abläuft. Ferner postulierten sie eine deutliche Abnahme der Kristallgröße. Auf diese beiden wichtigen Befunde werde ich später genauer eingehen.

In den späten siebziger und frühen achtziger Jahren gab es dann Meinungsverschiedenheiten über den genauen Mechanismus der Umwandlung von Olivin in Spinell. Der Olivin des Erdmantels ist, chemisch betrachtet, ein Silicat der Zusammensetzung (Mg,Fe)2SiO4. Im Laboratorium lassen sich jedoch auch andere Olivine herstellen, so etwa Magnesiumgermanat (Mg2GeO4). Weil das Germanium- größer ist als ein Siliciumatom, wandelt sich diese Verbindung schon bei viel niedrigerem Druck in Spinell um als der entsprechende Silicat-Olivin. Darum läßt sich der Vorgang leichter experimentell erforschen.

Ergebnisse von Versuchen am Germanat-System in meinem Labor stimmten mit den früheren Beobachtungen von Sung und Burns überein; insbesondere zeigte sich, daß die Umwandlung stattfindet, indem sich an den Rändern von Olivinkörnern Keime von Spinellkristallen bilden und dann wachsen. Untersuchungen in anderen Forschungseinrichtungen deuteten dagegen darauf hin, daß sich das Kristallgitter der Olivinkörner durch Scherung direkt in das des Spinells umwandelt. Angesichts der divergierenden Befunde stellte ich 1984 die These auf, daß es wahrscheinlich von der Art der Beanspruchung abhänge, welcher der beiden Mechanismen jeweils abläuft.

Die Klärung dieser Frage war wichtig für das Verständnis der Tiefbeben und der Manteldynamik überhaupt. Deshalb begannen meine Doktorandin Pamela C. Burnley und ich 1985 mit Experimenten darüber, wie sich Spannungen im Gestein auf die Umwandlung auswirken. Bis heute ist es nicht möglich, bei den sehr hohen Drücken, unter denen der Olivin-Spinell-Übergang im Silicat-System stattfindet, Verformungsexperimente durchzuführen und zugleich die dabei auftretende Spannung zu messen. Deswegen arbeiteten wir weiterhin mit Magnesiumgermanat-Proben, die sich schon bei einem Druck umwandeln, der in meiner Apparatur zur Verformungsmessung leicht erzeugt werden kann.

Dabei zeigte sich, daß der Mechanismus tatsächlich von der Stärke der angelegten Spannung abhängt. Bei niedri-gen Temperaturen reicht die thermische Energie für das Keimen und Wachsen neuer Kristalle nicht aus. In diesem Falle ist der Olivin sehr druckbeständig und wandelt sich erst um, wenn starke Spannung das Kristallgitter zerbricht, so daß sich dünne Lamellen der dichteren Spinell-Phase abscheren. Bei hohen Temperaturen dagegen können sehr rasch neue Kristalle keimen und wachsen. Dann ist der Olivin so leicht umformbar, daß die für den Abscherungsmechanismus erforderliche Spannung niemals erreicht wird.

Damit waren die widersprüchlichen Befunde über die Art der Umwandlung von Olivin in Spinell erklärt. Die Versuche erwiesen zugleich, daß die Spannung für den Abscherungsmechanismus so hoch ist, daß er im Erdinneren keine Rolle spielen dürfte. Außerdem ist er nach unseren Feststellungen nicht mit einer Verwerfungs-Instabilität verbunden. Auch deshalb scheidet er als möglicher Auslöser für Tiefbeben aus.

Derweil hatte Stephen H. Kirby vom U.S. Geological Survey in Menlo Park (Kalifornien) Verwerfungsexperimente an zwei Mineralen unternommen; dazu setzte er sie einem Druck aus, bei dem eine Verdichtung zu erwarten war. Obwohl Kirby keinen direkten Beweis dafür fand, erklärte er die von ihm beobachtete Verwerfung mit einer beginnenden Umwandlung in die Hochdruckphasen. Genau wie Vaisnys und Pilbeam zehn Jahre zuvor hielt er es für wahrscheinlich, daß es im Erdmantel während der Umformung von Olivin zu Spinell zu einer Verwerfungs-Instabilität komme.

Gemäß den Ergebnissen der Versuche von Pamela Burnley und mir mußte eine solche Instabilität, sollte sie denn existieren, durch Bildung und Wachstum neuer Kristallkeime zustande kommen. Zudem sollte sie auf das schmale Temperaturintervall zwischen den Zustandsbereichen mit den unterschiedlichen Umformungsmechanismen begrenzt sein. Wir deformierten also Proben unter Bedingungen, bei denen im zeitlichen Rahmen des Experiments die Bildung von Spinellkeimen gerade noch möglich war. Der Versuch erwies sich als Volltreffer. Die Proben gaben beim Anstieg der Spannung plötzlich nach, und es entstanden eine oder mehrere Verwerfungen, an denen entlang sich feine Spinellkriställchen gebildet hatten.

Bei detaillierten Untersuchungen entdeckten wir eine aufschlußreiche Serie von Mikrostrukturen innerhalb dieser von Verwerfungen durchsetzten Proben. Gleich zu Beginn der Experimente bildeten sich mikroskopisch kleine Häufchen der hochdichten Phase und wuchsen an den Grenzen der Olivinkörner (Bild 4). Diese Päckchen wiesen drei entscheidende Charakteristika auf: Sie sahen aus wie Spaltenfüllungen, verliefen senkrecht zum Druckfeld und enthielten sehr kleine Spinellkristalle mit Durchmessern von etwa 10-5 Millimetern. Die ersten beiden Eigenschaften erinnern auffällig an Merkmale, die sich in spröden Materialien unmittelbar vor dem Bruch herausbilden; die dritte gab einen Hinweis darauf, wie Verwerfungen bei hohem Druck entstehen können und welches der vermutliche Gleitmechanismus ist.

Verwerfung durch Anti-Mikrorisse

Anhand dieser drei Charakteristika entwickelten wir ein Modell der umwandlungs-induzierten Verwerfung, wonach sie dem spröden Scherbruch entspricht, aber durch eine völlig andere Mikrophysik geprägt ist (siehe Kasten auf Seite 41). Im Verlauf eines spröden Scherbruchs öffnen sich mit zunehmender Spannung zunächst zahlreiche mikroskopisch kleine Dehnungsrisse parallel zur Richtung der maximalen Kompressionsspannung (S1). Dabei handelt es sich um sogenannte Typ-I-Risse, bei deren Entstehung das Material an den Rißrändern sich senkrecht zur Ebene des Risses verschiebt.

Mit steigender Spannung nehmen Zahl und Dichte dieser Risse rasch zu, bis das Material an manchen Stellen nachzugeben beginnt. Dann vereinen sich die Mikrorisse, die Probe versagt, und es kommt innerhalb von Sekundenbruchteilen zum Scherbruch. In dessen Verlauf bildet sich vor der wachsenden Verwerfung ein Bereich mit Dehnungs-Mikrorissen, welcher den weiteren Verlauf der Bruchfläche durch das Material vorgibt.

Die Verwerfung entsteht also nicht einfach aus dem Nichts, sondern muß von Typ-I-Mikrorissen vorbereitet und geführt werden. Nun wird aber die Ausdehnung, welche mit dem Öffnen von Dehnungsmikrorissen einhergeht, durch Druck stark behindert oder sogar gänzlich unterbunden. Aus diesem Grunde ist ein Sprödbruch tief im Erdinneren nicht möglich.

Bei den Experimenten zur Verwerfung unter hohem Druck stellten wir fest, daß anstelle von Rissen mikroskopisch kleine Spinell-Linsen wachsen (Bild 4). In ihrer Form ähneln sie offenen Dehnungsrissen, haben aber eine andere Orientierung – statt parallel sind sie senkrecht zu S1 ausgerichtet. Da Spinell dichter als Olivin ist, bewegt sich bei seiner Bildung das Material an den Grenzen der Linse nach innen auf die Linsen-Ebene zu. Dies ist im Prinzip die gleiche Situation wie bei den Typ-I-Dehnungsrissen – nur mit umgekehrten Vorzeichen: Anstelle einer Zug- tritt eine Kompressionsspannung auf. Während in spröden Materialien die Zugspannung an den Enden sich öffnender Risse dafür sorgt, daß diese sich parallel zu S1 anordnen, bewirkt in unseren Proben die Kompressionsspannung an den Enden der Linsen deren Orientierung im rechten Winkel zu S1.

Die Spinell-Linsen sind also in jeder Beziehung das Gegenteil von Rissen – mit einem Wort: es handelt sich um Antirisse. Diese Vorstellung hatten in anderem Zusammenhang Raymond Fletcher, damals an der Texas A&M University in College Station, und David D. Pollard von der Stanford-Universität in Kalifornien schon 1981 entwickelt. Aus der bemerkenswerten Ähnlichkeit zwischen den zwei Typ-I-Feinstrukturen schlossen wir, daß die Anti-Mikrorisse, die dem Versagen der Proben im Experiment vorausgehen, dieselbe Rolle bei der Verwerfung unter hohem Druck spielen müssen wie die Mikrorisse beim Sprödbruch.

Das dritte entscheidende Merkmal unserer gescherten Proben – der sehr feinkörnige Spinell in den Antirissen – gab einen Hinweis darauf, wie solche Strukturen entscheidend zur Schwächung des Gesteins beitragen und warum die Verwerfung in diesem Falle auch unter hohem Druck stattfinden kann: Extrem feinkörnige Materialien zeichnen sich durch eine hohe Fließfähigkeit aus.

Dieses Fließen ähnelt in gewisser Weise der Verformung eines Sandsacks – nur daß sich zwischen den starren Sandkörnern, wenn sie aneinander vorbeirutschen oder übereinander hinweggleiten, vorübergehend Lücken öffnen. Die dadurch bedingte Ausdehnung muß gegen den Druck der Umgebung erzwungen werden; deshalb wird dieser Vorgang genau wie der Sprödbruch durch Druck stark behindert. Im Gegensatz dazu bewegen sich bei Superplastizität Kristall-Defekte an den Korngrenzen, die man Versetzungen nennt. Weil das Material sich nicht ausdehnen muß, hat äußerer Druck kaum eine hemmende Wirkung. Der feinkörnige Spinell innerhalb der Antirisse sollte genau diese Fähigkeit zum superplastischen Fließen haben und darum viel schwächer sein als das Muttermineral Olivin.

Gemäß diesen Überlegungen formulierten wir ein hypothetisches Modell für den Verwerfungsmechanismus bei Tiefbeben. Unter den Bedingungen, die in subduzierenden Platten herrschen, entstehen zunächst nur an Stellen, an denen sich die Spannung konzentriert, nahe beieinander durch wiederholte Keimbildung winzige Spinellkristalle. In einem inhomogenen Spannungsfeld neigen sie dazu, sich zu linsenförmigen Aggregaten zusammenzulagern, die im rechten Winkel zu S1 wachsen. Anfangs sind diese Anti-Mikrorisse ziemlich wahllos verteilt. Doch da die feinkörnigen Spinell-Aggregate viel schwächer sind als die großen Olivinkristalle, verliert, wo ihr Anteil einen gewissen Wert übersteigt, das Gestein schließlich seine Festigkeit.

Damit tritt der Vorgang in ein kritisches Stadium. An den Rändern der Zerfallszone bauen sich hohe Spannungen auf, die das Wachstum von Antirissen beschleunigen. Bereits vorhandene Anti-Mikrorisse verschmelzen mit der in Entstehung begriffenen Verwerfungs-Zone und leeren ihren superplastischen Inhalt in sie aus; dabei liefern sie ein Schmiermittel, das die Gesteinsmassen leichter aneinander entlanggleiten läßt. Indem die Verwerfungs-Zone vordringt, erzeugt sie vor ihrer Spitze neue Antirisse und damit mehr superplastisches Material als Gleitmedium.

Dieser Vorgang muß sich enorm beschleunigen, damit es zu einer großräumigen Verwerfung kommt. Als Ursache dafür postulierten wir einen thermischen Rückkopplungsmechanismus ähnlich dem von Vaisnys und Pilbeam vorgeschlagenen: Demnach läßt Wärme, die bei der Keimbildung von Spinell in den Antirissen freigesetzt wird, die Temperatur in der Umgebung steigen, was wiederum die Keimbildung beschleunigt; indem sich so Temperatur und Keimbildungsgeschwindigkeit gegenseitig aufschaukeln, kommt es sehr schnell zu einem katastrophalen Versagen der gesamten Struktur.


Experimentelle Belege

Pamela Burnley und ich veröffentlichten die Grundzüge dieses Modells im Oktober 1989 in der Zeitschrift "Nature". Seither ist viel Zeit in meinem Labor dafür aufgewandt worden, verschiedene Aspekte der Theorie genauer zu untersuchen und zu testen. So prüften wir, ob im Verlauf einer Antiriß-Verwerfung Energie in Form akustischer Schwingungen ausgestrahlt wird. Falls nicht, kann sie nicht für Erdbeben verantwortlich sein; denn die Erschütterungen im Erdboden werden durch seismische Wellen verursacht, die Tonwellen entsprechen und somit hörbar sein sollten. Weil unsere Proben klein waren und sich im Deformationsapparat befanden, der seinerseits ein allgemeines Hintergrundgeräusch produziert, konnten wir zunächst allerdings nicht hören, ob der Verwerfungsvorgang mit einem Knall verbunden war.

Aus diesem Grund wandte ich mich an Christopher H. Scholz vom Lamont-Doherty-Erdobservatorium der Columbia-Universität in Palisades (New York), der Sprödbrüche im Erdinneren erforscht. Mit empfindlichen piezoelektrischen Umformern vermag er die akustischen Emissionen nachzuweisen, die einem Bruch vorausgehen und ihn begleiten (Bild 5). Nachdem wir einen meiner Hochdruck-Deformationsapparate modifiziert hatten, um den Geräuschpegel zu verringern, konnten Tracy N. Tingle und Thomas E. Young aus meinem Labor in Zusammenarbeit mit Theodore A. Kozynski aus der Gruppe von Scholz tatsächlich akustische Emissionen entdecken, die Proben von Mg2GeO4 im Verlauf der Verwerfung abgaben.

Tracy Tingle und ich erforschten auch die Fließfähigkeit von Mg2GeO4-Spinell, wenn die Kristalle eine ähnliche Größe haben wie die von Olivin im Ausgangsgestein. Wie sich zeigte, ist sie zwar etwa doppelt so hoch wie die von Olivinkristallen, aber dennoch viel zu niedrig, um den geringen Gleitwiderstand an den von Antirissen hervorgerufenen Verwerfungen zu erklären. Daraus ergibt sich, daß man die Scherung in unseren Proben nicht einfach auf die Phasenumwandlung von Olivin in Spinell zurückführen kann; der Fließmechanismus muß sich ebenfalls ändern. Der einzige bekannte Mechanismus, der dafür in Frage kommt, ist superplastisches Fließen.

Durch diese Tests stand zweifelsfrei fest, daß die Antiriß-Verwerfung einen neuen Versagensmechanismus darstellt, der sich vom Sprödbruch unterscheidet. Doch blieb ein wesentlicher Mangel: Wir hatten all diese Experimente notgedrungen mit Germanat-Olivin durchgeführt statt mit dem Silicat-Olivin, der im Mantel vorkommt; denn dieser wandelt sich, wie gesagt, erst bei so hohen Drücken um, daß man keine Spannungs-Verformungs-Kurven aufnehmen kann.

In dieser Situation schlug David Walker, der gleichfalls am Lamont-Doherty-Erdobservatorium tätig ist, Scholz und mir vor, einmal probehalber Experimente mit Mantel-Olivin in seinem Mehrfach-Stempel-Hochdruck-Apparat anzustellen, in dem sich der erforderliche Druck für die Umwandlung von Silicat-Olivin erzeugen läßt. Allerdings war ein solches Gerät noch nie benutzt worden, um Mineralproben zu deformieren, und es erlaubt auch nicht, die auf das Gestein ausgeübte Spannung zu messen. Doch das Resultat übertraf alle Erwartungen: Nach nur vier Versuchen erzielten wir bei einem Druck von 14 Gigapascal Verwerfungen und charakteristische Antiriß-Mikrostrukturen in Silicat-Olivin.


Die Ursache von Zwischenbeben

Dies macht klar, daß der Antiriß-Verwerfungsmechanismus erst in einer Tiefe ab ungefähr 300 Kilometern wirksam werden kann, wo der Druck 10 Gigapascal übersteigt. Andererseits tritt Sprödbruch nur bis zu einer Tiefe von etwa 70 Kilometern auf. Wodurch entstehen dann Zwischenbeben, deren Herde in mittleren Bereichen angesiedelt sind?

Nach Versuchen, die Charles Meade (jetzt an der Carnegie-Institution in der US-Bundeshauptstadt Washington) und Raymond Jeanloz vor einigen Jahren an der Universität von Kalifornien in Berkeley durchgeführt haben, beruhen sie auf dem Freisetzen von Wasser aus Serpentin unter hohem Druck; dieses Mineral bildet sich, wenn Olivin bei niedrigen Temperaturen und Drücken mit Wasser reagiert.

C. Barry Raleigh, jetzt an der Universität von Hawaii in Manoa, und Mervyn S. Paterson von der Australischen Nationaluniversität in Canberra hatten schon in den sechziger Jahren durch Entwässerung Verwerfungen bei sandkorngroßen Serpentinkristallen erzeugt – allerdings unter niedrigem Druck. Meade und Jeanloz führten ihre Experimente hingegen in einer Diamantstempel-Hochdruckzelle durch. Dabei sandte der Serpentin akustische Wellen aus, wenn er unter Drücken, wie sie in 300 Kilometer Tiefe in der Erde herrschen, erhitzt und entwässert wurde. Offenbar können sich durch den Druck des freigesetzten Wassers ungeachtet des hohen hydrostatischen Außendrucks die für einen Sprödbruch unerläßlichen Mikrorisse öffnen.

Aus geophysikalischen und geologischen Beobachtungen weiß man, daß Olivin im obersten Mantel (direkt unter der ozeanischen Kruste) teilweise Wasser aufnimmt, wenn die zugehörige Lithosphärenplatte von einem ozeanischen Rücken zu einer Subduktionszone wandert. Die abnehmende Häufigkeit von Erdbeben in Subduktionszonen bis 300 Kilometer hinab bedeutet also höchstwahrscheinlich, daß sich der auf Entwässerung von Serpentin beruhende Verwerfungsmechanismus in dem Maße sozusagen erschöpft, wie das abtauchende Material im umgebenden heißeren Mantel allmählich erwärmt und das enthaltene Wasser dabei ausgetrieben wird. Ab etwa 300 Kilometer Tiefe steigt die Erdbebenhäufigkeit wieder an, weil nun Verwerfungen durch Antirisse möglich werden.

Warum aber sinkt die Bebenhäufigkeit in etwa 700 Kilometern Tiefe dann plötzlich auf null ab? Wie erwähnt, zerfällt in abtauchenden Platten in dieser Tiefe der Spinell seinerseits in zwei noch dichtere Phasen. Dieser Prozeß ist allerdings endotherm, verbraucht also Wärme, statt sie wie bei der exothermen Umwandlung von Olivin in Spinell freizusetzen. Nun hatten wir als Auslöser einer Verwerfungs-Instabilität eine sich explosionsartig beschleunigende thermische Kettenreaktion postuliert; weil diese bei einer endothermen Umwandlung nicht möglich ist, sollte auch keine Verwerfung auftreten können.

Um diese Vermutung zu überprüfen, führten mein Kollege Yi Zhou und ich im vergangenen Jahr eine Serie von Experimenten mit Cadmiumtitanat (CdTiO3) durch – einer Verbindung, die bei hohem Druck gleichfalls eine dichtere Kristallstruktur annimmt und dabei Wärme verbraucht. Wenn wir die Niederdruckphase unter Bedingungen verformten, unter denen die Hochdruckphase stabil war, bildeten sich weder Antirisse, noch trat eine Verwerfung auf. Dieser wichtige Befund stützt sowohl das Antiriß-Modell als auch die obige Erklärung dafür, daß die Erdbebenhäufigkeit an der Obergrenze des Drucks, bei dem Spinell stabil ist, auf null absinkt.

Beim Spinell selbst kommt ein zweiter Faktor hinzu. Sein Zerfall läuft nämlich nicht nur endotherm ab, sondern erfordert auch die Entmischung von Atomen, damit aus einer einzigen zwei verschiedene Kristallstrukturen werden können. Dieser komplizierte Vorgang bildet ein weiteres gravierendes Hindernis für jede denkbare Verwerfungs-Instabilität.

Alles in allem passen also die Tiefenverteilung von Erdbeben und die Ergebnisse der Experimente gut zusammen (Bild 1). Flachbeben entstehen durch normalen Sprödbruch, und weil dieser Mechanismus durch Druck beeinträchtigt wird, liegen die Herde der Erdbeben fast überall auf der Welt nicht tiefer als 20 bis 30 Kilometer. In Subduktionszonen sinken dagegen Blöcke aus ozeanischer Kruste und Mantel mit teilweise wasserhaltigen Mineralen nach unten und werden dabei langsam erhitzt. Die dadurch ausgetriebene Flüssigkeit ermöglicht hier Verwerfungen durch Sprödbruch auch bei höherem Druck. Die exponentiale Abnahme der Erdbebenhäufigkeit bis in 300 Kilometer Tiefe spiegelt die fortschreitende Erwärmung und Entwässerung der subduzierten Platte wider.

Das Innere der Platte bleibt dennoch so kalt, daß der Olivin darin sich nicht sofort in die Spinell-Phase umwandeln kann, wenn er bei etwa 300 Kilometern Tiefe thermodynamisch instabil wird. An den sich langsam erwärmenden Rändern der kalten inneren Region erreicht er jedoch jene kritische Temperatur, bei der sich Antirisse bilden können, die über ei-ne thermische Kettenreaktion dann eine Verwerfung ermöglichen. In den kältesten Subduktionszonen erstreckt sich der Keil metastabilen Olivins bis 700 Kilometer hinab. Der Zerfall des Spinells in die zwei sehr dichten Phasen des unteren Mantels in noch größerer Tiefe löst keine Erdbeben mehr aus.

Wenn diese Vorstellungen stimmen, sollten sich die seismischen Signale von Zwischen- und Tiefbeben kaum von denjenigen unterscheiden, die bei Flachbeben auftreten; schließlich resultieren sie gleichfalls aus Scherbewegungen an einer Verwerfung und müssen mit diesem Entstehungsmechanismus vereinbar sein. Dies scheint auch zuzutreffen. Seismologen haben trotz intensiver Suche in den vergangenen drei Jahrzehnten kein Beispiel eines Tiefbebens gefunden, bei dem sich eindeutig eine starke implosive Komponente nachweisen ließ.

Außerdem ist im kalten Inneren subduzierter Platten eine deutlich niedrigere seismische Geschwindigkeit zu erwarten, wenn noch metastabiler Olivin vorhanden ist, als wenn die Umwandlung schon stattgefunden hat und die dichteren Phasen entstanden sind. Allerdings kommen nur in Japan genügend Tiefbeben vor und sind ausreichend seismische Stationen vorhanden, daß man versuchen kann, zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden. Im Jahre 1992 fanden Takashi Iidaka und Daisuke Suetsugu von der Universität Tokio tatsächlich die für einen metastabilen Olivinkeil erwartete geringe Geschwindigkeit von seismischen Wellen.

Wenn unsere Annahme stimmt, daß die auf der Bildung von Antirissen beruhende Verwerfungs-Instabilität nur bei einer bestimmten, kritischen Temperatur auftritt, sollte sich die Verwerfung auf die Grenzschicht zwischen dem metastabilen Olivinkeil und dem schon umgeformten Material in der Umgebung konzentrieren. Falls beide Ränder des Keils genügend unter Spannung stehen, könnten sich demnach doppelte Erdbebenzonen bilden (Bild 1). Das Team von Iidaka sowie eine Seismologengruppe um Douglas A. Wiens von der Washington-Universität in St. Louis (Missouri) haben im letzten Jahr auch dieses Phänomen entdeckt. Iidaka und seine Mitarbeiter fanden eine doppelte Bebenzone in einer Platte, von der sie schon vermutet hatten, daß sie einen metastabilen Olivinkeil enthalten müsse.

Nun gleichen sich Flach- und Tiefbeben zwar im Abstrahlungsmuster der seismischen Energie, aber daß die Verwerfungen auf unterschiedliche Art zustandekommen, könnte sich durchaus in Feinheiten der seismischen Signale widerspiegeln. Tatsächlich berichteten Heidi Houston und Quentin Williams von der Universität von Kalifornien in Santa Cruz kürzlich, daß Tiefbeben oft deutlich schneller einsetzen als Zwischenbeben. Zudem haben Heidi Houston und John E. Vidale vom U.S. Geological Survey inzwischen festgestellt, daß der Bruchvorgang bei solchen Ereignissen insgesamt nur halb so lange dauert wie bei Beben mit flacheren Herden. Desgleichen hat man kürzlich herausgefunden, daß in jungen, warmen Subduktionszonen Erdbeben nur bis in 300 oder 400 Kilometern Tiefe auftreten; Tiefbeben gibt es ausschließlich in älteren, relativ kalten Subduktionszonen, wo metastabiler Olivin bis in große Tiefen hinab existieren kann.

Das vorgeschlagene Modell, wonach Zwischenbeben durch flüssigkeitsvermittelte Verwerfung und Tiefbeben durch Antiriß-Verwerfung entstehen, stimmt also mit dem gegenwärtigen Kenntnisstand über Subduktionszonen voll und ganz überein. Das grundsätzliche Rätsel um die Tiefbeben scheint somit gelöst zu sein. Die noch verbleibenden Fragen sollten sich klären, wenn es den Seismologen in weiteren Untersuchungen gelingt, Subduktionszonen und die Erdbeben, die an ihnen stattfinden, noch genauer zu charakterisieren.

Literaturhinweise

- Erdbeben mit tiefen Herden. Von Cliff Frohlich in: Spektrum der Wissenschaft, März 1989, Seite 94.

– A New Self-Organizing Mechanism for Deep-Focus Earthquakes. Von H. W. Green II and P. C. Burnley in: Nature, Band 341, Heft 6244, Seiten 733 bis 737; 26. Oktober 1989.

– Anticrack-Associated Faulting at Very High Pressure in Natural Olivine. Von Harry W. Green II, Thomas E. Young, David Walker und Christopher H. Scholz in: Nature, Band 348, Heft 6303, Seiten 720 bis 722; 20. bis 27. Dezember 1990.

– Seismological Evidence for Metastable Olivine Inside a Subducting Slab. Von Takashi Iidaka und Daisuke Suetsugu in: Nature, Band 356, Heft 6370, Seiten 593 bis 595; 16. April 1992.

– Evidence for Transformational Faulting from a Deep Double Seismic Zone in Tonga. Von Douglas A. Wiens, Jeffrey J. McGuire und Patrick J. Shore in: Nature, Band 364, Heft 6440, Seiten 790 bis 793; 26. August 1993.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1995, Seite 36
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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