Wie Erdbeben entstehen: Plattentektonik, Spannung und seismische Wellen erklärt

Erdkruste ist ein bewegliches Puzzle

Nach Angaben des U.S. Geological Survey (USGS) ist die äußere Hülle der Erde in große Stücke, sogenannte tektonische Platten, unterteilt, die wie ein Puzzle zusammenpassen. Diese Platten bewegen sich ständig, langsam — gleiten aneinander vorbei, übereinander oder untereinander. Die meisten Erdbeben des Planeten treten an den Grenzen auf, wo diese Platten aufeinandertreffen, da hier Verwerfungen — Brüche in der Kruste — konzentriert sind.

Die Platten selbst bewegen sich selten reibungslos. Das USGS erklärt, dass die Reibung an den Rändern einer Verwerfung das Gestein zum Stecken bringt, selbst wenn sich der Rest der Platte weiter bewegt. Dieser Unterschied ist der Ausgangspunkt für jedes tektonische Erdbeben.

Wie sich Spannung entlang einer Verwerfung ansammelt

Während eine Verwerfung durch Reibung gesperrt ist, biegt sich und verformt sich die umgebende Kruste elastisch, wie eine Feder unter Spannung. Nach Angaben des USGS wird diese Spannung im Gestein gespeichert, während die Verwerfung gesperrt bleibt. Je länger die Verwerfung gesperrt bleibt, desto mehr Spannung sammelt sich an — dies kann in einigen Zonen über Jahre oder in anderen über Jahrhunderte geschehen.

Das USGS gibt Kaliforniens San-Andreas-Verwerfung als praktisches Beispiel für diesen Prozess. Die Pazifische Platte bewegt sich mit etwa zwei Zoll (etwa 5 cm) pro Jahr nach Nordwesten relativ zur Nordamerikanischen Platte, wie das USGS sagt, und die Verwerfung selbst erstreckt sich über mehr als 650 Meilen (etwa 1.050 km) und reicht mehr als 10 Meilen (16 km) tief. Entlang einiger Abschnitte kriechen die Platten stetig und erzeugen häufige kleine Beben; entlang anderer bleiben sie lange Zeit gesperrt und bauen die Spannung auf, die schließlich in einem großen Erdbeben freigesetzt wird.

Der Moment der Ruptur: Hypozentrum und Epizentrum

Wenn die angesammelte Spannung schließlich die Reibung übersteigt, die eine Verwerfung zusammenhält, bricht das Gestein auf und gibt die gespeicherte Energie als seismische Wellen frei, erklärt das USGS. Der Punkt unter der Erde, an dem der Bruch beginnt, ist das Hypozentrum; der Punkt auf der Oberfläche direkt darüber ist das Epizentrum — der Ort, der normalerweise in Nachrichtenberichten angegeben wird.

Das USGS weist darauf hin, dass kleinere Beben, sogenannte Vorbeben, dem Hauptbruch vorausgehen können, während Nachbeben — kleinere Erdbeben entlang der gleichen Verwerfung — Tage bis Jahre andauern können, während sich die umgebende Kruste an die neue Spannungsverteilung anpasst.

Wie die freigesetzte Energie wandert: seismische Wellen

Die am Hypozentrum freigesetzte Energie breitet sich in mehreren unterschiedlichen Wellentypen aus, die jeweils unterschiedliche Geschwindigkeit und Verhalten haben. Das USGS vergleicht das Ausbreitungsmuster mit Wellen in einem Teich, während Caltech's Science Exchange die Wellen in zwei breite Klassen unterteilt: Körperwellen, die durch Erdinnere wandern, und Oberflächenwellen, die entlang des Bodens wandern.

Das USGS vergleicht die Lücke zwischen P-Welle und S-Welle mit der Verzögerung zwischen dem Sehen von Blitz und dem Hören von Donner: Je größer die zeitliche Differenz zwischen den beiden Ankünften an einer seismischen Station ist, desto weiter entfernt ist das Erdbeben. Caltech weist darauf hin, dass Oberflächenwellen — Love-Wellen und Rayleigh-Wellen — zuletzt ankommen, aber normalerweise am zerstörerischsten sind, weil sie mehr Energie in der Nähe der Oberfläche transportieren, wo Gebäude und Infrastruktur sich befinden.

Wo und in welcher Tiefe Erdbeben auftreten

Das USGS erklärt, dass Erdbeben in der Kruste oder dem oberen Erdmantel auftreten, in einer Tiefe von der Oberfläche bis etwa 800 Kilometer (etwa 500 Meilen). Caltech's Science Exchange berichtet, dass etwa 80 % der weltweit größten Erdbeben entlang des zirkumpazifischen seismischen Gürtels auftreten, oft "Ring of Fire" genannt, der Plattengrenzen rund um den Pazifischen Ozean nachzeichnet.

Nicht jedes Erdbeben hat tektonischen Ursprung. Caltech's Science Exchange führt auch vulkanische Erdbeben, Einsturzbeben und explosionsbezogene Erdbeben als andere anerkannte Kategorien auf und weist darauf hin, dass Aktivitäten wie Fracking oder Abwasserentsorgung gelegentlich mit kleineren induzierten seismischen Ereignissen in einigen Regionen verknüpft wurden.

Wie Wissenschaftler messen, was passiert ist

Da Verwerfungen normalerweise zu tief sind, um sie direkt zu beobachten, erklärt das USGS, dass sich Seismologen stattdessen auf Seismographenaufzeichnungen verlassen. Eine kurze, wellige Linie auf einem Seismogramm zeigt ein kleines Erdbeben an, während eine lange, wellige Linie ein größeres anzeigt — die Länge der Welle bezieht sich auf die Größe der Verwerfung, die brach, und ihre Amplitude bezieht sich darauf, wie weit das Gestein abgerutscht ist.

• Erdbeben beginnen, wenn Spannung an einer gesperrten Verwerfung die Reibung übersteigt, die sie an Ort und Stelle hält (USGS).
• Das Hypozentrum ist der unterirdische Rupturpunkt; das Epizentrum ist der Punkt auf der Oberfläche direkt darüber (USGS).
• P-Wellen treffen zuerst ein und komprimieren Gestein in Reiserichtung; S-Wellen treffen als zweite ein und bewegen sich nur durch Feststoffe (USGS, Caltech).
• Oberflächenwellen — Love- und Rayleigh-Wellen — kommen zuletzt an, verursachen aber normalerweise die meisten Strukturschäden (Caltech).
• Etwa 80 % der größten Erdbeben treten entlang des zirkumpazifischen "Ring of Fire" auf (Caltech).