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Erdbeben: Lauschangriff auf seismisches Geflüster

Im Widerspruch zur verbreiteten Ansicht können starke Erdbeben einander auf subtile Weise beeinflussen. Wenn verhakte Krustenblöcke sich ruckartig lösen, verlagert sich die gespeicherte Spannung in benachbarte Regionen und erhöht dort die Wahrscheinlichkeit für den nächsten Erdstoß. Ermöglicht das erstmals eine zuverlässige Bebenvorhersage?


Jahrzehntelang hegten Seismologen den Traum, irgendwann einmal fähig zu sein, Zeitpunkt und Ort des nächsten verheerenden Erdbebens vorherzusagen. Doch Anfang der 1990er Jahre schien sich diese Hoffnung endgültig zu zerschlagen. Damals wurde klar, wie ungeheuer komplex das Verhalten der Bruchzonen ist, an denen Erdstöße gewöhnlich auftreten. Und so kamen die Forscher zu dem ernüchternden Schluss, die schwersten Beben fänden stets isoliert und zufällig statt. Auch mit raffiniertester Technik könne daher niemand vorhersagen, wann das nächste zuschlägt.

Kürzlich gab es jedoch wieder Grund zu vorsichtigem Optimismus. Überraschend zeigte sich, dass Erdbeben auf bisher ungeahnten Wegen miteinander kommunizieren können. Solche Wechselwirkungen aber sollten sich für Prognosen nutzen lassen.

Heute teilen die meisten Erdbebenforscher die Ansicht, dass eine Verwerfung, sobald ein stärkerer Erdstoß und die üblichen Nachbeben stattgefunden haben, so lange ruhig bleibt, bis die Spannung in der Erdkruste Zeit hatte, sich wieder aufzubauen. Meist dauert das Jahrhunderte bis Jahrtausende. Diese Feststellung gilt auch weiterhin. Aber die Entdeckung seismischer Wechselwirkungen lässt darauf schließen, dass die Wahrscheinlichkeit eines nachfolgenden Erdbebens anderswo entlang der Bruchzone oder an einer nahe gelegenen Verwerfung immerhin um den Faktor drei ansteigen kann. Für Katastrophenschützer oder Versicherungsunternehmen ist dies eine elektrisierende Erkenntnis – erlaubt es doch, Risiken sehr viel genauer und zuverlässiger abzuschätzen.

Auf den neu entdeckten Interaktionen baut eine Theorie auf, die als Stress-Triggering bezeichnet wird. In ihrem Mittelpunkt steht die Erkenntnis, dass bei der ruckartigen Verschiebung von Krustenblöcken an einer Verwerfung die freigesetzte Spannung (Stress) auf benachbarte Bruchzonen übergeht, wo sie ein Folgebeben auslösen (triggern) kann.

Meine Kollegen und ich haben Aufzeichnungen von Erdstößen gründlich analysiert und neue Berechnungen zum Verhalten von Verwerfungen angestellt. Dabei fanden wir heraus, dass die Spannung, die sich während eines Erdbebens löst, nicht einfach verschwindet. Vielmehr wandert sie die Verwerfung entlang und konzentriert sich in benachbarten Bereichen. Dies kann fatale Folgen haben: Untersuchungen von etwa zwei Dutzend Bruchzonen seit 1992 lassen darauf schließen, dass schon ein Anstieg der Spannung um ein Achtel des Luftdrucks in einem Autoreifen genügt, ein Erdbeben auszulösen.

Bis vor kurzem hielt niemand solche subtilen Kausalbeziehungen für möglich – und sie spielten bei der Bebenvorhersage denn auch keinerlei Rolle. Deshalb zögerten viele Wissenschaftler verständlicherweise, sie als Grundlage für einen neuen Ansatz zur Abschätzung seismischer Risiken heranzuziehen. Doch inzwischen ist die Glaubwürdigkeit der Stress-Triggering-Hypothese erheblich gestiegen; denn mit ihrer Hilfe vermochten meine Kollegen und ich Ort und Häufigkeit von Beben zu erklären, die diversen verheerenden Erdstößen in Kalifornien, Japan und der Türkei folgten. Das hat manchen Zweifler überzeugt. Aber auch wir wurden in unserem Streben ermutigt, die unerwarteten Wechselwirkungen zwischen Erdbeben immer besser verstehen und deuten zu lernen; denn präzisere Warnungen vor seismischen Katastrophen sind bitter nötig.

Vernachlässigte Nachbeben

Anfangs schien es geradezu vermessen, der gängigen Theorie zu widersprechen, dass stärkere Erdbeben zufällig stattfinden – hatten sich doch Hunderte von Forschern mehr als drei Jahrzehnte lang vergeblich bemüht, konsistente Muster in der globalen Erdbebenaktivität oder Seismizität zu entdecken. Einige suchten nach Änderungen in der Häufigkeit von kleineren Erschütterungen. Andere maßen mit empfindlichen Instrumenten, wie sich die Erdkruste neigt, ausdehnt und über Distanzen verschiebt, die zu klein sind, um mit bloßem Auge erkennbar zu sein. Wieder andere spürten Bewegungen von Gasen, Flüssigkeiten und elektromagnetischer Energie im Untergrund nach. Eine vierte Gruppe kartierte winzige Risse im Gestein, um festzustellen, ob diese sich vor größeren Erschütterungen öffnen oder schließen. Doch was auch immer die Forscher unter die Lupe nahmen, sie fanden wenig Übereinstimmung zwischen einem schweren Erdstoß und dem nächsten.

Trotz solcher Fehlschläge bleibt eines unübersehbar: Gut 30 Prozent der seismischen Ereignisse weltweit – nämlich die so genannten Nachbeben – häufen sich räumlich und zeitlich. Ihre Verteilung folgt einem regelmäßigen Muster, das der japanische Seismologe Fusakichi Omori schon 1894 erstmals beobachtet hat. In mathematischer Formulierung wird es heute als Omori-Gesetz bezeichnet. Danach ist die Wahrscheinlichkeit von Nachbeben direkt nach dem Hauptbeben am größten und nimmt dann exponentiell mit der Zeit ab: Nach zehn Tagen ist sie auf zehn und nach hundert Tagen auf ein Prozent des ursprünglichen Wertes gesunken und so weiter.

Dieser vorhersehbare sprunghafte Anstieg und allmähliche Abfall der Seismizität bedeutet aber nichts anderes, als dass der anfängliche Hauptstoß die Erdkruste so verändert, dass die Wahrscheinlichkeit nachfolgender Beben zunimmt – in klarem Widerspruch zu der These, wonach Erdbeben zeitlich zufällig verteilt sein sollen. Allerdings sind Nachbeben in der Regel schwächer und nicht so zerstörerisch wie die ursprünglichen Erschütterungen, um deren Vorhersage es den Wissenschaftlern eigentlich geht. Außerdem glaubte man bisher, dass sie alle irgendwo entlang jenes Abschnitts der Verwerfung auftreten, an dem die beiden Krustenplatten während des Hauptstoßes aneinander entlanggeschürft sind. Deshalb wurde lange übersehen, dass sie vielleicht den Schlüssel zum Rätsel der Seismizität darstellen.

Eine verborgene Gesetzmäßigkeit

Bleiben die Nachbeben außer Betracht, scheinen die verbleibenden Erdstöße in der Tat – zumindest auf den ersten Blick – zufällig aufzutreten. Doch warum sollte man die am besten vorhersagbaren Ereignisse ignorieren, um zu beweisen, dass der Rest keiner Regel folgt? Meine Kollegen und ich beschlossen stattdessen zu ergründen, was Nachbeben so regelmäßig macht. Wir begannen unsere Analyse in einer der seismisch aktivsten Regionen der Erde: dem System des San-Andreas-Bruchs, der quer durch Kalifornien verläuft. Aus örtlichen Aufzeichnungen der häufigen Bodenschwankungen in diesem Gebiet ergab sich, dass am Tag, der auf ein Beben der Stärke 7,3 folgt, die Wahrscheinlichkeit eines weiteren heftigen Erdstoßes im Umkreis von hundert Kilometern fast 67 Prozent beträgt – das 20000fache des Wertes an einem beliebigen anderen Tag. Irgendetwas am ersten Beben scheint also das Risiko weiterer Erdstöße dramatisch emporschnellen zu lassen, aber was?

Das wohlbekannte Phänomen der Nachbeben erklärt auch, warum zunächst niemand überrascht war, als im Juni 1992 ein Erdstoß der Stärke 6,5 in der Nähe der südkalifornischen Stadt Big Bear nur drei Stunden nach einem Beben der Stärke 7,3 stattfand, welches das 40 Kilometer entfernte Landers erschüttert hatte. Im Widerspruch zur gängigen Theorie fand das Big-Bear-Beben allerdings weit entfernt von der Verwerfung statt, die beim Landers-Beben aufgebrochen war. Also erfüllte es zwar die Voraussetzungen eines Nachbebens, was den Zeitpunkt, nicht aber was den Ort betraf. In dieser räumlichen Abweichung vermuteten wir einen Fingerzeig auf die verborgene Gesetzmäßigkeit, nach der wir suchten.

Als meine Kollegen und ich die Epizentren Hunderter weiterer Erdstöße in Kalifornien kartierten, entdeckten wir ein bemerkenswertes Muster in der Verteilung echter Nachbeben, aber auch anderer, schwächerer Erschütterungen, die einem Hauptstoß im Abstand von Tagen, Wochen oder gar Jahren folgten. Die meisten häuften sich in Gebieten, die wie beim Ereignis von Big Bear weit von der aufgebrochenen Verwerfung und damit der Zone, in der Nachbeben zu erwarten waren, entfernt lagen. Falls wir herausbekämen, was ihre Verteilung bestimmte, sollten die gleichen Faktoren auch das Auftreten der Hauptbeben selbst beeinflussen. Und wenn das stimmte, waren wir einem radikal neuen Ansatz zur Vorhersage von Erdbeben auf der Spur.

Auf der Suche nach den tieferen Zusammenhängen schauten wir uns zunächst Änderungen innerhalb der Erdkruste als Folge starker Erdbeben an. Bei diesen entlädt sich ein Teil der Spannung, die sich allmählich aufgebaut hatte, während die benachbarten tektonischen Platten aneinander entlanggedriftet sind. Zum Beispiel wandert längs des San-Andreas-Bruchs die Nordamerikanische Platte relativ zur Pazifischen nach Süden. Während die beiden Krustenblöcke sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, erzeugen sie einen Scherdruck parallel zur Verwerfungsebene. Meist werden zugleich die Gesteinspakete auf den gegenüberliegenden Seiten der Verwerfung gegeneinander gepresst. Dadurch üben sie einen weiteren Druck aus, der senkrecht zur Bruchebene gerichtet ist.

Wenn nun der Scherdruck den Bruchwiderstand an der Verwerfung übersteigt oder der seitliche Anpressdruck nachlässt, gleiten die verkeilten Gesteinspakete plötzlich ruckartig aneinander vorbei und setzen gewaltige Energiemengen in Form von Vibrationen frei. Beide Druckkomponenten, deren Summe Coulomb-Spannung genannt wird, nehmen entlang des aufreißenden Abschnitts der Verwerfung ab. Da aber die Spannung nicht einfach verschwinden kann, muss sie sich anderswohin verlagern. Unsere Vermutung war nun, dass ihre Zunahme an den neuen Positionen ausreichen könnte, um dort weitere Erdbeben auszulösen.

Geophysiker hatten Coulomb-Spannungen schon seit Jahren berechnet, sie aber für zu gering gehalten, um Einfluss auf die Seismizität zu haben. Tatsächlich ist das Ausmaß der verlagerten Spannung im Allgemeinen recht klein – mit maximal drei Bar entspricht es höchstens zehn Prozent der gesamten Druckänderung, die in Bruchzonen im Verlauf eines Erdbebens stattfindet. Auch mir schien das zunächst nicht auszureichen, das Aufbrechen einer Verwerfung auszulösen. Doch als ich zusammen mit Geoffrey King vom Geophysikalischen Institut Paris und Jian Lin von der Oceanographic Institution in Woods Hole (Massachusetts) berechnete, an welchen Stellen Südkaliforniens die Spannung nach stärkeren Erdbeben gestiegen war, entdeckten wir zu unserer Verblüffung, dass die – geringen, aber vorhandenen – Zunahmen durchweg in Gebieten auftraten, in denen sich anschließend weitere Erschütterungen gehäuft hatten. Auch die umgekehrte Korrelation galt: Selbst ein kleiner Spannungsabfall in einer Region konnte künftige Beben dort verhindern. Auf unseren Karten nahm die seismische Aktivität in diesen so genannten Druckschatten ab.

Erdbeben nach dem Dominoprinzip

Durch die Analyse der Coulomb-Spannung ließ sich die räumliche Verteilung bestimmter Erdbeben in der Vergangenheit also sehr schön erklären. Aber taugte die Methode auch zur Vorhersage des genauen Ortes künftiger Erschütterungen? Vor sechs Jahren tat ich mich mit dem Geophysiker James H. Dieterich vom Geologischen Dienst der USA und dem Geologen Aykut A. Barka von der Technischen Universität Istanbul zusammen, um die Nordanatolische Verwerfung in der Türkei zu untersuchen, eine der am dichtesten besiedelten Bruchzonen der Welt. Wir berechneten, wo die Coulomb-Spannung infolge früherer Erdbeben gestiegen war. Anhand der Ergebnisse prognostizierten wir, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von zwölf Prozent irgendwann zwischen 1997 und 2027 ein Beben von mindestens der Stärke 7 das Segment nahe der Stadt Izmit erschüttern würde. Das mag sich nach einer relativ vagen Aussage anhören. Doch für den Rest der tausend Kilometer langen Bruchzone, abgesehen von einem weiteren Abschnitt, betrug die Wahrscheinlichkeit nur ein bis zwei Prozent.

Wir mussten nicht lange auf die Bestätigung warten. Im August 1999 verwüstete ein Erdbeben der Stärke 7,4 Izmit. Es forderte 25000 Todesopfer und richtete Sachschäden im Wert von mehr als 6,5 Milliarden Dollar an. Dabei war es nur das jüngste in einer Serie von zwölf stärkeren Beben, die seit 1939 nach dem Dominoprinzip die nordanatolische Verwerfung heimgesucht hatten. In einem besonders schlimmen Zeitraum von fünf Jahren gab es bei vier nach Westen fortschreitenden, verheerenden Erdstößen auf insgesamt 700 Kilometern Länge Scherbrüche entlang dieser Störungslinie. Unserer Theorie zufolge löste Spannung, die sich über das Ende des neu aufgerissenen Segments hinaus verschob, jeweils das nachfolgende Erdbeben aus – so auch das von Izmit.

Schon im November 1999 fiel der 13. Dominostein. Coulomb-Spannung, die sich von dem Abschnitt bei Izmit verlagert hatte, löste etwa hundert Kilometer weiter östlich nahe der Stadt Düzce ein Erdbeben der Stärke 7,1 aus. Zum Glück hatte Barka die Spannungszunahme berechnet, die sich aus dem Beben von Izmit ergab, und sie zwei Monate zuvor in der Zeitschrift "Science" veröffentlicht. Seine Vorhersage veranlasste die örtliche Bauaufsicht, Schulgebäude in Düzce zu schließen, die beim ersten Beben leicht beschädigt worden waren – ungeachtet des Einwandes der Schulbehörde, der Unterricht könne nirgendwo sonst stattfinden. Einige dieser Gebäude stürzten beim November-Beben ein.

Falls spätere Berechnungen von Tom Parsons vom Geologischen Dienst der USA, Shinji Toda vom Forschungszentrum für aktive Verwerfungen in Tsukuba (Japan), Barka, Dieterich und mir korrekt sind, dürfte das nicht die letzte Nachwirkung des Bebens von Izmit gewesen sein. Die dabei verlagerte Spannung hat auch die Wahrscheinlichkeit, dass innerhalb des nächsten Jahres die nahe gelegene Hauptstadt Istanbul erschüttert wird, von 1,9 Prozent auf 4,2 Prozent erhöht. Für die kommenden 30 Jahre veranschlagen wir dieses Risiko auf 62 Prozent. Unter der Annahme, dass starke Beben zufällig auftreten, läge der Schätzwert dagegen nur bei 20 Prozent.

Ruhe im Spannungsschatten

Die Stress-Triggering-Hypothese kann aber nicht nur Gefahren aufzeigen, sondern auch Entwarnung geben. Wenn in bestimmten Regionen das Erdbebenrisiko steigt, nimmt es in anderen zwangsläufig ab. Zufällig sind in der Türkei die Gebiete mit geringerem Erdbebenrisiko leider viel dünner besiedelt als der Großraum von Istanbul. Manchmal trifft aber auch das Gegenteil zu.

Eines der eindrucksvollsten Beispiele ist die Bucht von San Francisco, die sich seit dem verheerenden Erdbeben der Stärke 7,9 von 1906 einer relativ geringen Seismizität erfreut. Heute leben hier 5 Millionen Menschen. Einer Analyse zufolge, die meine Kollegen Ruth A. Harris und Robert W. Simpson vom Geologischen Dienst der USA 1998 durchgeführt haben, fiel der Spannungsschatten des Bebens von 1906 über verschiedene Küstenstreifen, die im Bereich der Bucht von San Francisco parallel zum San-Andreas-Bruch verlaufen. Spannungszunahmen gab es hingegen ein gutes Stück nördlich und südlich. Dies könnte erklären, warum die Häufigkeit zerstörerischer Erdstöße seit 1906 nur rund ein Zehntel des Wertes in den 75 Jahren davor betrug. Allerdings tritt die Region langsam aus dem Seismizitätsschatten, weil sich die Spannung an den Verwerfungen wieder aufbaut. Das Loma-Prieta-Beben von 1989 mit seinen eingestürzten Highways mag ein Vorbote dieses Wiedererwachens gewesen sein.

Untersuchungen der Erdbeben in der Türkei und in Südkalifornien bestärkten uns in der Überzeugung, dass selbst winzige Spannungsänderungen die Gefahr einer Katastrophe drastisch erhöhen oder verringern können. Doch trotz der steigenden Zahl von Beispielen, die unsere Theorie stützten, blieb ein wunder Punkt: Ungefähr ein Viertel der von uns untersuchten Erdbeben fand in Gebieten statt, wo die Spannung abgenommen hatte. Skeptische Kollegen konnten uns diesen Widerspruch genüsslich unter die Nase reiben. Wir haben inzwischen jedoch eine Erklärung dafür gefunden. Auch in den Schattenbereichen sinkt die Seismizität nie völlig auf null; vielmehr nimmt nur die Zahl der Erdbeben pro Zeiteinheit ab. Das Analoge gilt für die Stress-Triggering-Zonen: Die Bebenrate steigt zwar an, bleibt aber unter dem theoretischen Maximum.

Wir verdanken diese Erweiterung unserer Vorstellungen einer Theorie, die Dieterich 1994 veröffentlicht hat. Als Rate/State-Reibung bekannt, wirft sie die gängige Vorstellung über Bord, dass die Reibung nur zwischen zwei Werten variieren kann – einem hohen, wenn das Material in Ruhe ist, und einem niedrigen, wenn es gleitet. Vielmehr werden Verwerfungen zäher oder glitschiger, wenn sich die Geschwindigkeit (rate) und der Ablauf – oder Zustand (state) – der Bewegung entlang des Bruchs ändert. Dies ergaben Laborexperimente, bei denen Dieterichs Team einen Miniaturbruch in eine Granitscheibe von der Größe eines Volkswagens sägte und winzige Erdbeben auslöste.

Ein Erdbebenpaar als Kippschalter

Wird die Seismizität unter der Annahme berechnet, dass die Reibung nicht konstant, sondern variabel ist, zeigt sich, dass Omoris Gesetz eine fundamentale Eigenschaft nicht nur so genannter Nachbeben, sondern aller seismischen Erschütterungen beschreibt. Dann offenbart sich auch der tiefere Grund, warum der plötzliche Anstieg der Bebenhäufigkeit infolge einer örtlichen Spannungszunahme nicht bestehen bleibt, sondern exponentiell wieder abnimmt. Doch Dieterichs Theorie enthüllt auch die komplementäre Eigenschaft der Seismizität, die Omoris Gesetz völlig außer Acht lässt: Wo ein Erdstoß Spannung abbaut, fällt die Bebenhäufigkeit zunächst steil ab und kehrt dann langsam in vorhersehbarer Weise zu den früheren Werten zurück. Diese neuen Einsichten versetzten uns erstmals in die Lage, den Zeitfaktor in unsere Vorhersagen einzubeziehen. Solange wir nur die Coulomb-Spannungen berechneten, konnten wir zwar grob vorhersagen, wo weitere Erdbeben auftreten, aber nicht wann.

Anfang letzten Jahres ermittelte Parsons für die mehr als hundert seismischen Erschütterungen der Stärke 7 oder mehr, die weltweit in den vergangenen 25 Jahren stattgefunden haben, alle nachfolgenden Erdstöße im Umkreis von weniger als 250 Kilometern, die mindestens eine Stärke von 5 erreichten. Unter den gut 2000 Ereignissen in seiner Liste traten 61 Prozent dort auf, wo ein vorausgegangenes Beben den Druck – wenn auch teils nur geringfügig – erhöht hatte. Die wenigsten dieser getriggerten Erdstöße fanden dicht genug beim Hauptstoß statt, um als Nachbeben zu gelten. Und in allen Fällen nahm ihre Häufigkeit so ab, wie die Theorie der Rate/State-Reibung und das Omori-Gesetz das vorhersagten. Unsere Vorstellungen über Ort und Zeitpunkt spannungsgetriebener Erdbeben wurden dadurch glänzend bestätigt.

Nachdem wir das Konzept der Rate/State-Reibung nun routinemäßig in unsere Analysen einbeziehen, vermögen wir auch kompliziertere Beispiele einer Interaktion zwischen Erdbeben aufzudecken, als es durch die bloße Analyse der Coulomb-Spannung möglich war. Damals konnten wir nur relativ einfache Situationen wie in Kalifornien und in der Türkei erklären, wo ein starkes Erdbeben die Seismizität in einigen Gebieten gesteigert und in anderen abgeschwächt hat. Ein überzeugenderer Beweis für die Stress-Triggering-Hypothese wäre ein Fall, bei dem aufeinander folgende Erdstöße vergleichbarer Stärke die Häufigkeit von Erdbeben an ein und derselben Stelle erst kräftig erhöhen und dann ebenso deutlich absenken – ähnlich wie durch Drehen am Dimmer eine Lampe hell aufleuchtet und wieder verglimmt.

Tatsächlich entdeckten Toda und ich ein spektakuläres Beispiel für dieses Phänomen, das wir Kippschalter-Seismizität nennen. Anfang letzten Jahres begannen wir mit der Analyse eines Erdbebenpaares der Stärke 6,5, das 1997 Kagoshima in Japan heimgesucht hatte. Unmittelbar nach dem ersten Beben im März schnellte in einem 25 Quadratkilometer großen Gebiet, das genau hinter dem westlichen Ende des aufgebrochenen Abschnitts der Verwerfung lag, die Seismizität in die Höhe. Als wir berechneten, wohin sich die beim Erdstoß freigesetzte Spannung verlagert hatte, ergab sich genau diese Region erhöhter Seismizität. Außerdem stellten wir fest, dass auch der allmähliche Abfall der Bebenhäufigkeit nach dem plötzlichen Anstieg den Vorhersagen folgte, die sich aus dem Konzept der Rate/State-Reibung ergaben.

Als aber nur sieben Wochen später drei Kilometer weiter südlich die zweite Erschütterung auftrat, fiel die Häufigkeit der Erdstöße in dem Gebiet erhöhter Seismizität jäh um mehr als 85 Prozent ab. Der Grund: Die Trigger-Zone des ersten Bebens war in den Schattenbereich des zweiten gefallen. Das erste hatte also die Seismizität auf- und das zweite sie wieder abgedreht.

Ein Bebenpaar entlang der Denali-Verwerfung in Alaska im Herbst 2002 bietet dagegen den bisher besten Beleg für einen kausalen Zusammenhang zwischen zwei starken Erdstößen. Unseren Berechnungen nach erhöhte die erste Erschütterung mit einer Stärke von 6,7 am 23. Oktober die Wahrscheinlichkeit für die zweite am 3. November, die sogar eine Magnitude von 7,9 erreichte, um den Faktor 100.

Entwicklung der Wettervorhersage liefert Vorbild

Eines haben unsere Lauschangriffe auf das geheimnisvolle Geflüster zwischen Erdbeben jedenfalls bewiesen: dass die Seismizität hochgradig interaktiv ist. Und auch wenn diese Wechselwirkungen vielleicht nicht allein auf der Verlagerung von Spannungen beruhen, halten meine Kollegen und ich unsere Befunde doch für ausreichend, um eine gründliche Überprüfung der herkömmlichen stochastischen Erdbebenvorhersagen zu rechtfertigen. Indem die neuen Methoden berücksichtigen, dass die Wahrscheinlichkeit gefährlicher Erdstöße auch von kleinen Spannungsänderungen an den Verwerfungen abhängt, ermöglichen sie genauere Risikoabschätzungen – ein Fortschritt, an dem Behörden, Versicherungsbranche und breite Öffentlichkeit nur das größte Interesse haben können.

Traditionelle Bewertungen dienen heute schon als Grundlage für Entscheidungen, wo Vorsichtsmaßnahmen wie erdbebensicheres Bauen zu ergreifen sind und wo nicht. Doch unsere Analysen haben gezeigt, dass die Stress-Triggering-Theorie andere Bruchzonen oder deren Segmente in der Rangliste der gefährlichsten Killer ganz nach oben befördert. Umgekehrt mag eine Verwerfung, die nach der traditionellen Bewertung hochbrisant erscheint, in Wahrheit ein viel geringeres Risiko bergen.

Leider ist jede Art von Erdbebenvorhersage schwer zu bestätigen und fast unmöglich zu widerlegen. Unabhängig von den berücksichtigten Faktoren hängt es in hohem Maße vom Zufall ab, ob die Prognose eintrifft – genauso wie es Sache des Zufalls ist, ob bei einer bestimmten Wetterlage ein mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erwartender Regenguss auch wirklich niedergeht. Dabei genießen die Meteorologen gegenüber den Erdbebenforschern einen großen Vorteil: Sie verfügen über millionenfach mehr Messwerte, auf die sie ihre Vorhersagen stützen können. Wetterdaten sind letztlich viel einfacher zu ermitteln als Spannungen im Erdinneren, und Stürme finden weit öfter statt als Erdbeben.

Dennoch muss sich, wer das Erdbebenrisiko genauer eingrenzen will, am Vorbild der Wettervorhersage orientieren. Deshalb hat sich mein Team daran gemacht, eine Sammlung von Prognosen für schwere Erdstöße im Umkreis der stark gefährdeten Städte Istanbul, Landers, San Francisco und Kobe anzulegen. Wir bemühen uns ferner um Voraussagen für Los Angeles und Tokio, wo ein schweres Beben Schäden in Höhe von einigen Billionen Dollar anrichten könnte. Zu guter Letzt erproben wir unsere Theorie auch an schwächeren, ungefährlichen Erdbeben, die zahlreicher und daher leichter vorherzusehen sind.

Inwieweit eine noch so fundierte Risikoabschätzung hilft, Menschen und Sachwerte zu schützen, ist immer noch ungewiss. Doch wir Wissenschaftler haben allen Grund, den alten Traum, ei-nes Tages schwere Erdstöße vorhersagen zu können, weiterzuverfolgen: Mehrere hundert Millionen Menschen leben und arbeiten längs der aktivsten Verwerfungszonen der Erde. Da so viel auf dem Spiel steht, sollte das Stress-Triggering – oder jedes andere Phänomen, das die Wahrscheinlichkeit eines verheerenden Erdbebens beeinflussen kann – nicht einfach ignoriert werden.

Literaturhinweise


Response of the San Andreas Fault to the 1983 Coalinga-Nuñez Earthquakes: An Application of Interaction-Based Probabilities for Parkfield. Von S. Toda and Ross S. Stein in: Journal of Geophysical Research, Bd. 107, 10.1029/2001JB000172 (2002).

Heightened Odds of Large Earthquakes Near Istanbul: An Interaction-Based Probability Calculation. Von T. Parsons et al. in: Science, Bd. 288, S. 661 (2000).

Earthquakes Cannot Be Predicted. Von R. J. Geller, D. D. Jackson, Y. Y. Kagan und F. Mulargia in: Science, Bd. 275, S. 1616; 14.3.1997.


In Kürze


- Nach herkömmlicher Meinung beeinflusst ein schweres Erdbeben weder Zeit noch Ort des nächsten; doch neue Befunde wecken Zweifel an dieser Ansicht.

- Verwerfungen, an denen seismische Erschütterungen auftreten können, haben sich als unerwartet sensibel gegenüber leichten Spannungen erwiesen, die sich als Folge von Erdbeben an nahe gelegenen Verwerfungen auf sie verlagern.

- Bei ansonsten gleichen Bedingungen sind diejenigen Bereiche der Erdkruste, wo die Spannung – und sei es nur minimal – ansteigt, die Stellen, an denen die nächsten Erdbeben stattfinden.

- Diese Erkenntnis könnte helfen, das Erdbebenrisiko für eine Region oder Stadt deutlich besser einzuschätzen als bisher.


Fortschritte in der Bebenvorhersage


Viele Aspekte von Erdbeben sind noch unklar. Das erschwert zuverlässige Risikoprognosen. Die meisten heutigen Risiko-analysen für Erdbeben unterstellen, dass keine kausale Verknüpfung zwischen räumlich oder zeitlich benachbarten seismischen Erschütterungen besteht. Für jeden Abschnitt einer Verwerfung ermitteln die Seismologen anhand historischer Daten die durchschnittliche Zeitspanne zwischen zwei Erdbeben. Wann genau das nächste auftritt, entscheidet jedoch der Zufall. Dadurch ergibt sich für die Anzahl der erwarteten Erdstöße in einem bestimmten Zeitraum eine so genannte Poisson-Verteilung.

Das Nützlichste an dieser Methode ist, dass sie auch dann einen Wert für das Risiko liefert, wenn nicht bekannt ist, wann das letzte bedeutende Erdbeben stattfand. Die Wahrscheinlichkeitswerte ändern sich nämlich nicht mit der Zeit.

Eine etwas raffiniertere Vorhersagemethode, die unter dem Schlagwort Renewal Probability (Wahrscheinlichkeit eines erneuten Auftretens) firmiert, geht hingegen davon aus, dass das Risiko eines verheerenden Erdbebens mit der seit der letzten Erschütterung verstrichenen Zeit ansteigt. Dahinter steckt die Annahme, dass sich die Spannung entlang einer Verwerfung bei einem größeren Erdstoß löst und danach allmählich wieder zunimmt.

Der Autor und seine Kollegen bauen auf dieser Methode auf, berücksichtigen jedoch zusätzlich die Wechselwirkungen zwischen Erdbeben, indem sie die Folgen von Spannungsänderungen durch vorangegangene seismische Erschütterungen in der Nähe einbeziehen. Ein Vergleich der drei Prognosemethoden für die Nordanatolische Verwerfung in der Türkei (rechts) illustriert die Unterschiede zwischen ihnen; am deutlichsten zeigen sie sich unmittelbar nach einem schweren Erdstoß.

Nach der Renewal-Probability-Analyse war bis zum August 1999 die Wahrscheinlichkeit für ein Beben der Stärke 7 oder mehr an den vier Verwerfungen in der 50-Kilometer-Zone um Istanbul langsam angestiegen, da das letzte solche Ereignis schon 100 bis 500 Jahre zurücklag. Der katastrophale Erdstoß vom August 1999 ließ das Risiko eines zweiten starken Bebens in der unmittelbaren Umgebung von Izmit drastisch absinken, weil es dort zu einer Entspannung kam.

Dagegen blieb im hundert Kilometer westlich gelegenen Istanbul die Gefahr einer schweren Erschütterung während der nächsten 30 Jahre beim vorherigen Wert von 48 Prozent. Diese Wahrscheinlichkeit wird mit der Zeit langsam weiter zunehmen. Dagegen verharrt sie bei der Poisson-Methode unverrückbar bei nur 20 Prozent – gleichgültig was in der Nähe der türkischen Hauptstadt passiert.

Die Stress-Triggering-Hypothese liefert noch ein anderes Bild. Der größte Unterschied zur Vorhersage mit der Renewal-Probability-Methode ergibt sich für die Zeit unmittelbar nach der Izmit-Katastrophe. Dieses Ereignis ließ die Wahrscheinlichkeit eines Folgebebens, das Istanbul erschüttern könnte, abrupt in die Höhe schießen. Ein Teil der beim Izmit-Beben gelösten Spannung verlagerte sich nämlich entlang der Nordanatolischen Verwerfung nach Westen in Richtung Istanbul. Damit schnellte dort das Risiko eines Erdbebens innerhalb der nächsten 30 Jahre von 48 auf 62 Prozent empor.

Diese so genannte Interaktions-Wahrscheinlichkeit ist seither wieder leicht gefallen und wird es vorerst weiter tun. Dagegen steigt der Risikowert nach der Renewal-Probability-Methode immer noch langsam, aber stetig an. Die beiden Kurven werden sich im Jahr 2060 bei etwa 54 Prozent schließlich wieder vereinigen – vorausgesetzt, das nächste schwerere Erdbeben findet nicht schon vorher statt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 2003, Seite 52
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