Einfluss instabiler Sedimente auf die Tsunami-Entstehung

Erdbeben sind die Naturkatastrophen, die in der Menschheitsgeschichte am meisten Todesopfer forderten. Wenn Erdbeben zusätzlich Tsunamis verursachen, können die Folgen besonders verheerend sein. Das Sumatra-Beben (Indonesien) am 26. Dezember 2004 mit ca. 230.000 Todesopfern und das Tohoku-Beben vor Nordost-Honshu (Japan) am 11. März 2011 mit 18.537 Todesopfern haben das gezeigt. Diese beiden Erdbeben zählen mit Magnituden von 9,1 bzw. 9,0 auf der Richterskala zu den stärksten je gemessenen Erdbeben. Mehr als eine Milliarde Menschen leben in tiefliegenden Küstenregionen, die von Tsunamis betroffen sein können, selbst wenn diese Regionen keine Erdbebengebiete sind. Denn Tsunamiwellen können sich über ganze Meere ausbreiten, und haben so im Falle des Sumatra-Bebens zu Todesopfern rund um den Indischen Ozean geführt. Die Ursachen und die genauen Entstehungsprozesse von Tsunamis in den einzelnen Erdbebenregionen sind noch nicht vollständig verstanden.

Über 90 Prozent der weltweiten Erdbeben treten an Subduktionszonen auf. Dies sind die tektonischen Plattengrenzen, an denen eine ozeanische Platte unter eine kontinentale oder eine andere ozeanische Platte geschoben wird. Ozean-Kontinent-Plattengrenzen werden auch als aktive Kontinentalränder bezeichnet. An diesen Kontinentalrändern treten die stärksten je gemessenen Erdbeben auf, die sogenannten Mega-Überschiebungsbeben, die eine Magnitude von >8,5 erreichen. Überschiebungen sind Trennflächen bzw. Störungen, an denen beispielsweise eine kontinentale Oberplatte über eine ozeanische Unterplatte geschoben wird. Bricht bei einem Erdbeben die tektonische Störung durch den Meeresboden, kann durch relativen Vertikalversatz zwischen den beiden Platten eine sehr große Menge Wasser verdrängt werden und ein Tsunami entstehen.

Forschungsprojekt zur Risikoeinschätzung vor Südwest-Japan

Um das Risiko für Tsunamis besser einschätzen zu können, werden deshalb in internationalen Großprojekten Mega-Überschiebungsbeben, Oberflächenbrüche am Meeresboden und Tsunami-Bildung untersucht. Im Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment (NanTroSEIZE) des IODP (International Ocean Discovery Program) wird die Subduktion der Philippinischen Ozeanischen Platte unter Japan erforscht. Die Philippinische Platte taucht im Nankai-Graben mit einer Geschwindigkeit von 4-6 cm pro Jahr unter den aktiven Kontinentalrand vor Südwest-Japan ab. Dabei werden von der abtauchenden Platte bis zu mehrere hundert Meter dicke Sedimentlagen abgerissen und im Akkretionskeil der Eurasischen Oberplatte angelagert. Das Abreißen der Sedimente geschieht mehr oder weniger kontinuierlich an Überschiebungen nahe der Plattengrenze, die so sukzessiv nach unten und in Richtung der abtauchenden Platte wandert. Werden in der Tiefe größere Sedimentgesteinsfragmente abgerissen, kann dies mit großen Erdbeben verbunden sein. Der Nankai-Graben ist bekannt für immer wiederkehrende Mega-Überschiebungsbeben, die im Schnitt alle 100-120 Jahre auftreten. Aus diesen Daten ergibt sich auch, dass die Plattengrenze im Nankai-Graben in zwei Segmenten, dem Nankai und dem Tonankai-Segment, brechen kann, wie dies 1944 (Tonankai, Magnitude 8,0) und 1946 (Nankai, Magnitude 8,1) passiert ist. Besonders katastrophal ist das Erdbeben, wenn beide Segmente auf einmal reißen, was letztmalig im Jahr 1707 vorkam.

Anlass für NanTroSEIZE-Projekt waren große Tsunami 1944 & 1946

Im Doppelbeben von 1944/46 sind große Tsunamis entstanden, die erheblich zu der Zahl von mehr als 2.500 Todesopfern und den küstennahen Zerstörungen beitrugen. Für Japan war dieses Beben der Anlass, das NanTroSEIZE-Projekt zu initiieren und für über eine halbe Milliarde US Dollar die Chikyu, das weltgrößte wissenschaftliche Bohrschiff zu bauen.

In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt wurde unter anderem die Frage geklärt werden, welche Eigenschaften das Sediment haben muss, damit eine große Störung hindurchreißen kann. Ähnlich wie "Pudding" nur schwer bricht oder reißt, wurde bisher angenommen, dass weiches Sediment nicht bricht, sondern sich die durch ein Erdbeben verursachte Verformung im Sediment verteilt. Im gesteinsmechanischen Labor der Universität Kiel Experimente wurden hierfür Experimente an Sedimenten des Nankai-Akkretionskeiles durchgeführt, die bei mehreren Chikyu-Expeditionen erbohrt wurden. Die Ergebnisse zeigten sowohl starke Sedimentproben, in denen sich die Verformung verteilt als auch solche, die mechanisch schwach sind und bei einem Erdbeben leicht nachgeben bzw. brechen können. Am Fuß des Akkretionskeiles nahe der Plattengrenze liegen starke Proben vor, während sich die Sedimentproben vom oberen Bereich des Akkretionskeiles oberhalb einer großen Zweigüberschiebung ("Megasplay fault") mechanisch schwach verhalten. Dieses gesteinsmechanische Verhalten kann zum Oberflächenbruch und zur Tsunami-Bildung führen. Aufgrund der Labor-Ergebnisse ist es daher wahrscheinlich, dass die Tsunamis der Tonankai/Nankai-Erdbeben im Bereich oder an der großen Zweigüberschiebung ausgelöst wurden. An Probenmaterial von tieferen Bohrungen der zukünftigen NanTroSEIZE-Expeditionen kann geprüft werden, ob sich das unterschiedliche Verformungsverhalten der Sedimente in größere Tiefen fortsetzt. Weiterhin ist das instabile Verhalten der Sedimente für die Ausbreitung von Störungen in der seismogenen Zone, d.h. in der Entstehungszone der Erdbeben, wichtig.