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Ein paar Prozent entscheiden

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 21.04.2016 12:51

Vor der Ostküste Japans trifft die ozeanische Kruste des Pazifik auf die Ausläufer der eurasischen Landmasse - Spannungen und Beben sind da vorprogrammiert. Weil die drittgrößte Wirtschaftsnation direkt an diesem tektonischen Brennpunkt liegt und einen Großteil ihres Wohlstandes nur wenige Kilometer von der erdbebenträchtigen Zone entfernt erwirtschaftet, gehört Nippons Regierung zu den größten Finanziers des internationalen Meerestiefbohrprogramms IODP. Deutsche Wissenschaftler sind an den Forschungen über die seismogenen Zonen vor Japan intensiv beteiligt. Ein interessantes Ergebnis berichteten Kieler Geoforscher auf dem deutschen Tiefbohrsymposium in Heidelberg.

Japan, März 2011: Verwüstung durch Tohoku-Erdbeben und Tsunami. (Bild: Douglas Sprott/Flickr)

Japan, März 2011: Verwüstung durch Tohoku-Erdbeben und Tsunami. (Bild: Douglas Sprott/Flickr)

Es geschah zuletzt am 24. Dezember 1946: Ein Erdbeben der Stärke 8 bis 8,4 erschütterte die Mitte der japanischen Hauptinsel Honshu, eine halbe Stunde später traf ein Tsunami die Küste und vollendete das Zerstörungswerk. 36.000 Gebäude wurden durch das sogenannte Nankaido-Beben zerstört, fast 1400 Menschen starben. Zwei Jahre zuvor hatte das Tonankai-Beben mitsamt einem Tsunami den Süden Honshus getroffen und vergleichbare Schäden angerichtet. Die Epizentren der Beben lagen jeweils im Nankai-Trog weit vor der Küste: "Der Nankai Trog ist ein Tiefseegraben, der durch die abtauchende philippinische ozeanische Platte und die eurasische Kontinentalplatte gebildet wird, zu der Japan im Prinzip gehört", erklärt Michael Stipp, Geowissenschaftler am Kieler Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung GEOMAR. Die Plattenkollision sorgt dafür, dass an dieser Stelle im Durchschnitt alle 100 bis 120 Jahre Beben auftreten. "Es gibt lange historische Aufzeichnungen dazu, die zurückgehen bis ins 5./6. Jahrhundert", so Stipp. Allerdings zeigen die beiden Ereignisse aus den 40er Jahren, dass die Wiederholungsperioden nur einen Durchschnitt angeben.

Die Bohrungen mit der Chikyu gehen tief in die Erdkruste der Nankai-Tiefseerinne. (Bild: IODP)Auf Honshu schlägt das Herz der japanischen Volkswirtschaft, immerhin der Nr. 3 in der Welt. Knapp die Hälfte des japanischen Bruttosozialproduktes werden in einem Gebiet erwirtschaftet, das von den Beben aus dem Nankai-Trog bedroht ist. Das Tohoku-Beben von 2011 zeigte bereits, dass bei einem schweren Bebenschaden in Nippon die Weltwirtschaft Probleme bekommt. Kein Wunder also, dass die japanische Regierung ungeheure Mittel in die Erforschung des Nankai-Troges steckt. Über das Internationale Meerestiefbohrprogramm IODP profitieren auch Forscher wie Michael Stipp davon.

Das japanische Bohrschiff Chikyu im Einsatz. (Bild: Jamstec/IODP)"Ich selbst war noch nie auf dem Bohrschiff, mit dem man den Nankai-Trog untersucht", bedauert er, "aber ich habe sehr viel Probenmaterial von den Expeditionen, weil ich damit Experimente durchführe." Stipp untersucht, warum es im Nankai-Trog zu den gefährlichen Tsunamis kommt. Denn eigentlich müsste das gewaltige Sedimentpaket, das dort den Meeresboden bedeckt, die Stoßwellen der Erdbeben abpuffern, die von unten kommen. Der Plattenrand im Nankai-Trog gehört zu den sogenannten akkretionären Plattenrändern, das heißt, bei der Kollision schabt die obere Platte das Sedimentpaket, das die untere Platte seit Jahrmillionen angesammelt hat, ab. Die abgeschabten Tone und Sande lagern sich keilförmig vor und auf der oberen Platte ab und sollten eigentlich "gutmütig" auf Stöße von unten reagieren. Tatsächlich tun sie das aber nicht. Den meisten Erdbeben der Zone lösen Tsunamis aus, und das bedeutet, der Meeresboden muss schlagartig nach oben schnellen.

In den Experimenten, die Michael Stipp und seine Kollegen mit einer Hochdruckpresse am GEOMAR durchführten, und bei einer anschließenden Untersuchung unter dem hochgenauen Synchrotron-Strahl des Hamburger DESY zeigte sich, warum die weichen Sedimente im Nankai-Trog so tsunamigefährlich sind. Die Tonminerale, aus denen das Sediment an manchen Stellen zum großen Teil besteht, sind im Grunde zu weich. Sie können die dreidimensionale Struktur, die sie normalerweise aufbauen, unter starkem Druck nicht halten, klappen zusammen wie ein Kartenhaus und geben dann den Druck ungebremst weiter. "Da kollabiert der Porenraum, und der Porendruck steigt immer weiter an in diesen Experimenten", erklärt Stipp.

Die tektonische Situation vor der japanischen Hauptinsel Honshu. (Bild: GFZ Potsdam)Dieses strukturell weiche Material, wie Stipp und seine Kollegen es nennen, fanden sie vor allem in Bohrkernen aus dem sogenannten Megasplay. "Das ist eine Zweigstörung, die von der eigentlichen Plattengrenze abzweigt und dann in den Akkretionskeil hineinreicht", sagt der Geowissenschaftler. Man vermutet, dass auch diese Störung von der Plattengrenze etwa sechs Kilometer unterhalb des Meeresbodens bis zu dessen Oberfläche emporreicht. Das Sediment über dieser Zweigstörung ist viel weicher als das im Rest des Akkretionskeiles, der über der Hauptstörung liegt. Das hatte sich bei den Hochdruck-Experimenten nämlich als viel stabiler erwiesen. Der Porenraum blieb bei ihm weitgehend erhalten und mit diesem die dämpfende Wirkung. "Wir glauben daher, der Megasplay ist eine ganz große, vielleicht eine der Hauptquellen für die Tsunami-Entstehung im Nankai-Trog", betont Stipp.

Das Problem: beide Sedimentarten sehen sich im Bohrkern zum Verwechseln ähnlich. Die Wissenschaftler mussten erst ganz genau hinsehen, um einen Hinweis auf die Ursache für das so krass unterschiedliche Verhalten zu bekommen. "Es gibt eben doch geringfügige Unterschiede in der Zusammensetzung", sagt Michael Stipp, "die strukturell festen Sedimente haben leicht höhere Quarz-Feldspat-Gehalte, während die weicheren Sedimente im Vergleich zu den härteren leicht höhere Tongehalte haben." Es sind nur wenige Prozent, Stipp spricht von fünf bis zehn Prozent, doch die entscheiden darüber, ob ein Tsunami gestartet wird, oder nicht. Bei den Beben am Nankai-Plattenrand sind die Flutwellen aber mindestens ebenso verheerend wie die Starkbeben selbst.