Wie Erdbeben entstehen, werden gemessen und was die Plattentektonik erklärt

Erdbeben sind ein routinemäßiger Teil des Verhaltens der äußeren Schale der Erde, keine zufällige oder unvorhersehbare Anomalie. Nach Angaben des United States Geological Survey (USGS) ist die Erdkruste in große Stücke, sogenannte tektonische Platten, zerlegt, die sich langsam bewegen, aneinander vorbeigleiten und kollidieren. Die meisten Erdbeben treten entlang von Verwerfungen auf – Bruchlinien im Gestein – die sich an oder in der Nähe der Grenzen zwischen diesen Platten befinden.

Was tatsächlich unter der Erde passiert

Das USGS beschreibt den Prozess als einen Drei-Schritt-Mechanismus namens elastischer Rückprall. Erstens: Wenn tektonische Platten sich bewegen, bleiben die rauhen, gezackten Kanten einer Verwerfung aneinander stecken, obwohl sich der Rest der Platte weiterbewegt, so dass sich Spannungen und Energie in dem umgebenden Gestein aufbauen. Zweitens: Sobald die angesammelte Kraft schließlich die Reibung überwinden kann, die die Ränder der Verwerfung zusammenhält, rutscht das Gestein plötzlich. Drittens: Die gespeicherte Energie wird als seismische Wellen nach außen freigesetzt, die den Boden erschüttern – das Erdbeben, das Menschen spüren.

Erdbebenaktivität tritt oft in Abfolgen auf. Das USGS bemerkt, dass kleinere Tremores, sogenannte Vorbeben, einem stärkeren Hauptbeben vorausgehen können, obwohl sie erst im Nachhinein als Vorbeben identifiziert werden, und dass Nachbeben – kleinere Erdbeben nach dem Hauptbeben – Wochen, Monate oder sogar Jahre andauern können. Trotz dieses Verständnisses der Mechanismen stellt das USGS klar fest, dass Wissenschaftler nicht vorhersagen können, wann ein Erdbeben auftreten wird, selbst in Gebieten, in denen sie wissen, dass Erdbeben wahrscheinlich sind.

Drei Arten von Plattengrenzen, drei Arten von Erdbeben

Tektonische Platten interagieren auf drei unterschiedliche Weise, und jede erzeugt ein anderes Erdbebensmuster, nach Angaben der NOAA Ocean Exploration und des USGS. An divergenten Grenzen trennen sich Platten, und Magma steigt auf, um neue ozeanische Kruste zu bilden; Erdbeben sind dort häufig, mit dem Mittelatlantischen Rücken als Beispiel. An konvergenten Grenzen kollidieren Platten – eine gleitet oft unter die andere – und erzeugen starke Erdbeben zusammen mit Gebirgsketten, Tiefseegräben und Vulkanketten, ein Muster, das sich rings um das Pazifische Feuerland zeigt. An Transformgrenzen schleifen Platten seitwärts aneinander vorbei, ohne Kruste zu schaffen oder zu zerstören, und erzeugen Erdbeben durch Reibung; Kaliforniens San Andreas Fault ist das Standardbeispiel.

Wie Seismologen ein Erdbeben aufzeichnen und bewerten

Erdbeben werden über ein globales Seismographennetz erkannt, bei dem jede Station die Bodenbewegung an ihrem eigenen Ort misst, erklärt das USGS. Das Kerngerät ist ein Seismometer – typischerweise ein Pendel oder eine auf einer Feder montierte Masse – das in einem Seismographen untergebracht ist, der die Vibrationen aufzeichnet, wenn das Gestein rutscht und Energie in Wellen vom Epizentrum ausstrahlt.

Seismologen unterscheiden zwischen zwei separaten Messungen. Magnitude beschreibt die Größe des Erdbebens an seiner Quelle und ist überall die gleiche Zahl. Intensität, gemessen auf der Modified Mercalli Intensity Scale, beschreibt die Erschütterungen und Schäden, die an einem bestimmten Ort gefühlt werden, was sich je nach Entfernung zur Quelle und lokalen Bodenbedingungen ändert.

Richter-Skala versus Momenten-Magnituden-Skala

Die Magnitudenskala, von der die meisten Menschen gehört haben – die Richter-Skala – wurde von Charles Richter in den 1930er Jahren entwickelt, um Erdbeben in Südkalifornien mit Hilfe von nahegelegenen Seismographenstationen zu messen; sie wurde technisch als ML, für "lokale Magnitude", bezeichnet, nach Angaben des USGS. Sie misst die größte Auslenkung oder Amplitude, die auf einem speziellen Instrument namens Wood-Anderson Seismograph aufgezeichnet wurde.

Mit der Ausweitung der Seismographennetze weltweit stellten Forscher fest, dass Richters Methode nur für bestimmte Frequenz- und Entfernungsbereiche gültig war, und sie konnte die niederfrequenten Wellen, die von den größten Erdbeben erzeugt werden, nicht richtig erfassen – eine Einschränkung namens Sättigung. Seismologen führten später die Momenten-Magnituden-Skala (Mw) ein, die das USGS sagt, dass sie auf der physikalischen Größe "Moment" basiert – die Menge des Versatzes auf der Verwerfung multipliziert mit der Fläche der Verwerfungsoberfläche, die versetzt wurde – was sie über den gesamten Bereich der Erdbebengrößen gültig macht. Das USGS berichtet jetzt Erdbebenmagnituden unter Verwendung der Momenten-Magnitude.

Wie häufig sind Erdbeben?

Erdbeben sind viel häufiger, als die meisten Menschen denken. Das National Earthquake Information Center des USGS lokalisiert jährlich etwa 12.000 bis 14.000 Erdbeben. IRIS (die Incorporated Research Institutions for Seismology) bemerkt, dass die Anzahl der erkannten Erdbeben im Laufe der Zeit hauptsächlich gestiegen ist, weil Seismometernetzwerke empfindlicher geworden sind, nicht weil Erdbeben selbst häufiger geworden sind.

Da die Momenten-Magnituden-Skala logarithmisch ist, gibt IRIS an, dass für jeden ganzen Schritt nach oben in der Magnitude die jährliche Anzahl der weltweit aufgezeichneten Erdbeben um ungefähr den Faktor zehn abnimmt, während die freigesetzte Energie um ungefähr den Faktor dreißig zunimmt.

Warum das wichtig ist

Zu verstehen, dass Erdbeben das vorhersehbare Nebenprodukt der laufenden Plattenbewegung sind – und nicht isolierte, unerklärliche Ereignisse – ist die Grundlage für Hazard Maps, Bauvorschriften und Frühwarnsysteme, die auf der ganzen Welt verwendet werden. Der Plattengrenzrahmen des USGS und der NOAA erklärt auch, warum bestimmte Regionen, wie das Pazifische Feuerland oder die San Andreas Fault Zone, Erdbeben wiederholt über geologische Zeit hinweg erfahren, obwohl kein einzelnes Ereignis vorher vorhergesagt werden kann.