Die Bedrohung durch stille Erdbeben - - Nachhaltigkeit - 2020

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

Fehlendes Grollen macht ein Erdbeben nicht unbedingt unschädlich. Einige der leisen Typen könnten verheerende Tsunamis oder größere bodenschüttelnde Schocks vorhersagen

Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde ursprünglich in der März-Ausgabe 2004 von veröffentlicht .

Anfang November 2000 erlebte die Big Island von Hawaii das größte Erdbeben seit mehr als einem Jahrzehnt. Rund 2.000 Kubikkilometer des Südabhangs des Kilauea-Vulkans stürzten in Richtung Meer und lösten die Energie eines Schocks der Stärke 5,7 aus. Ein Teil dieser Bewegung fand unter einer Gegend statt, in der täglich Tausende von Menschen anhalten, um einen Blick auf einen der spektakulärsten Lavaflüsse der Insel zu erhaschen. Als das Erdbeben eintraf, bemerkte niemand - nicht einmal Seismologen. Wie könnte ein so bemerkenswertes Ereignis übersehen werden?

Wie sich herausstellt, ist das Beben kein wesentlicher Bestandteil aller Erdbeben. Das Ereignis auf Kilauea war eine der ersten eindeutigen Aufzeichnungen eines sogenannten stillen Erdbebens, einer Art massiver Erdbewegung, die der Wissenschaft bis vor wenigen Jahren unbekannt war. In der Tat hätte ich dieses Beben nie entdeckt, wenn meine Kollegen am Hawaiian Volcano Observatory der US Geological Survey nicht bereits ein Netzwerk empfindlicher Instrumente zur Überwachung der Vulkanaktivität eingesetzt hätten. Als ich schließlich bemerkte, dass sich die Südflanke von Kilauea entlang einer unterirdischen Verwerfung um 10 Zentimeter verschoben hatte, stellte ich auch fest, dass diese Bewegung fast 36 Stunden gedauert hatte - ein Schildkröten-Tempo für ein Erdbeben. In einem typischen Tremor kommen sich entgegengesetzte Seiten der Verwerfungsrakete innerhalb von Sekunden aneinander vorbei - schnell genug, um seismische Wellen zu erzeugen, die den Boden zum Rumpeln und Schütteln bringen.

Aber nur weil ein Erdbeben langsam und leise geschieht, ist es nicht unbedeutend. Meine Co-Ermittler und ich erkannten sofort, dass das stille Erdbeben von Kilauea ein Vorbote einer Katastrophe sein könnte. Wenn derselbe große Körper aus Gestein und Trümmern an Fahrt gewinnen und die Form eines gigantischen Erdrutschs annehmen würde - der sich vom Rest des Vulkans trennt und schnell ins Meer gleitet -, wären die Folgen verheerend. Das zusammenbrechende Material würde Meerwasser in hoch aufragende Tsunami-Wellen treiben, die Küstenstädte entlang des gesamten Pazifikraums bedrohen könnten. Solch ein katastrophales Flankenversagen, wie Geologen es nennen, ist eine potenzielle Bedrohung um viele Inselvulkane weltweit.

Unerwartetes Rühren
DIE ENTDECKUNG stiller Erdbeben enthüllt mehr als nur gute Nachrichten. Die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Flankenversagens ist gering, und die Instrumente, die stille Erdbeben erfassen, können frühzeitige Warnungen ermöglichen. Neue Beweise für Bedingungen, die einen stillen Ausrutsch auslösen könnten, deuten auf mutige Strategien zur Vermeidung eines Flankenkollapses hin. Vorkommnisse stiller Erdbeben werden auch in Gebieten gemeldet, in denen Flankenversagen kein Problem darstellt. Dort sind stille Erdbeben inspirierende Wege, um die Prognosen ihrer bahnbrechenden Kollegen zu verbessern.

Die Entdeckung stiller Erdbeben und ihre Verbindung zu einem katastrophalen Flankenkollaps war ein Nebenprodukt der Bemühungen, andere potenzielle Naturgefahren zu untersuchen. Zerstörerische Erdbeben und Vulkane sind ein Problem in Japan und im Nordwesten der USA, wo tektonische Platten ständig entlang der sogenannten Subduktionszonen in die Erde eintauchen. In den frühen 1990er Jahren begannen Geologen, große Netzwerke mit GPS-Empfängern (Global Positioning System) in diesen Regionen und entlang der Hänge aktiver Vulkane, wie z. B. Kilauea, kontinuierlich aufzuzeichnen. Durch das Empfangen von Signalen aus einer Konstellation von mehr als 30 Navigationssatelliten können diese Instrumente ihre eigenen Positionen auf der Planetenoberfläche zu jedem Zeitpunkt auf wenige Millimeter messen.

Die Wissenschaftler, die diese GPS-Empfänger im Einsatz hatten, erwarteten sowohl die langsame, unnachgiebige Bewegung der Schale der Planeten aus tektonischen Platten als auch die relativ schnellen Bewegungen, die Erdbeben und Vulkane auslösen. Es war eine Überraschung, als diese Instrumente kleine Bodenbewegungen entdeckten, die nicht mit einem bekannten Erdbeben oder Ausbruch verbunden waren. Als die Forscher die Bodenbewegungen auf einer Karte zeichneten, ähnelte das Muster, das sich daraus ergab, sehr stark einem Merkmal von Fehlbewegungen. Mit anderen Worten bewegten sich alle GPS-Stationen auf einer Seite eines bestimmten Fehlers um einige Zentimeter in dieselbe allgemeine Richtung. Dieses Muster wäre keine Überraschung gewesen, wenn es ein Jahr oder länger gedauert hätte. In diesem Fall hätten die Wissenschaftler gewusst, dass ein langsamer und stetiger Prozess, der als Störungskriechen bezeichnet wird, verantwortlich war. Bei Raten von bis zu Zentimetern pro Tag waren die geheimnisvollen Ereignisse jedoch Hunderte Male so schnell. Abgesehen von ihrer relativen Schnelligkeit hatten diese stillen Erdbeben eine andere Eigenschaft mit ihren lauten Gegenstücken, die sie vom Fehlschleichen unterschieden: Sie sind keine stationären Prozesse, sondern diskrete Ereignisse, die plötzlich beginnen und enden.

Dieser plötzliche Beginn, wenn er an den Hängen einer Vulkaninsel stattfindet, gibt Anlass zu Besorgnis über ein mögliches katastrophales Flankenereignis. Die meisten typischen Erdbeben treten bei Störungen auf, die über integrierte Bremsen verfügen: Die Bewegung stoppt, sobald der Stress zwischen den beiden Erdklumpen, die sich aneinander vorbeiziehen versuchen, abgebaut ist. Die Tätigkeit kann jedoch nicht aufhören, wenn die Schwerkraft zum Hauptantrieb wird. Im schlimmsten Fall wird der oberhalb der Verwerfung liegende Abschnitt des Vulkans so instabil, dass die Schwerkraft, sobald der Rutsch einsetzt, den gesamten Berghang nach unten zieht, bis er zu einem Trümmerhaufen auf dem Meeresboden zerfällt.

Die Hänge von Vulkanen wie Kilauea werden steil und anfällig für diese Art von Kollaps, wenn die Lava durch wiederholte Eruptionen sie schneller aufbaut, als sie erodieren können. Die Entdeckung des stillen Erdbebens auf Kilauea legt nahe, dass die Südflanke des Vulkans in Bewegung ist - vielleicht auf dem Weg zu einer möglichen Auslöschung.

Im Moment wirkt die Reibung entlang der Störung wie eine Notbremse. Aber die Schwerkraft hat sich in der Vergangenheit in vielen anderen Fällen durchgesetzt. Wissenschaftler haben seit langem Anzeichen für Zusammenbrüche in Sonarbildern riesiger Trümmerfelder in den flachen Gewässern um die Welt, darunter Mallorca im Mittelmeer und die Kanarischen Inseln im Atlantik, gesehen. Auf den Hawaii-Inseln haben Geologen in den letzten fünf Millionen Jahren mehr als 25 einzelne Zusammenbrüche festgestellt - ein Wimpernschlag in geologischer Zeit.

Bei einer typischen Rutsche ist das Volumen des Materials, das in den Ozean gelangt, hunderte Male so groß wie der Abschnitt des Mount St. Helens, der während des Ausbruchs von 1980 auseinander gesprengt wurde - mehr als genug, um einen immensen Tsunamis ausgelöst zu haben. Auf der hawaiianischen Insel Lanai zum Beispiel entdeckten Geologen in 325 Metern Höhe Beweise für Wellenbewegungen, einschließlich reichlich vorhandener Meeresmuschelfragmente. Gary M. McMurtry von der University of Hawaii in Manoa und seine Kollegen kommen zu dem Schluss, dass der wahrscheinlichste Weg, zu dem die Granaten eine so hohe Lage erreicht haben könnten, in den Wellen eines Tsunamis lag, der entlang der Küsten von Hawaii die erstaunliche Höhe von 300 Metern erreichte. Die meisten der höchsten Wellen der Neuzeit waren nur ein Zehntel dieser Größe.

Vorbereitung auf das Schlimmste
SO ERFOLGT, DASS solch ein Ereignis klingt, muss diese Gefahr im richtigen Zusammenhang verstanden werden. Ein katastrophales Versagen von Vulkanhängen ist auf einer menschlichen Zeitskala sehr selten - obwohl dies weitaus häufiger ist als das Risiko, dass ein großer Asteroid oder Komet eine schädliche Kollision mit der Erde hat. Ein Zusammenbruch, der groß genug ist, um einen Tsunami zu erzeugen, kommt irgendwo auf den Hawaii-Inseln nur etwa alle 100.000 Jahre vor. Einige Wissenschaftler schätzen, dass solche Ereignisse weltweit einmal alle 10.000 Jahre auftreten. Viele Wissenschaftler sind sich darin einig, dass es sich lohnt, sich darauf vorzubereiten, da die Gefahr extrem zerstörerisch ist.

Um Deformationen in instabilen Vulkaninseln zu erkennen, werden auf der Insel Réunion im Indischen Ozean, in Fogo auf den Kapverdischen Inseln und im gesamten Galápagos-Archipel unter anderem Netze kontinuierlicher GPS-Empfänger eingesetzt. Das Netzwerk von Kilauea mit mehr als 20 GPS-Stationen hat zum Beispiel bereits gezeigt, dass der Vulkan kriechende, stille Erdbeben sowie große, zerstörerische typische Erdbeben erlebt. Einige Wissenschaftler schlagen jedoch vor, dass Kilauea derzeit durch mehrere Unterwasserhaufen aus Schlamm und Gestein - wahrscheinlich Trümmern von alten Flankenzerstürzen -, die seine Südflanke stützen, vor einem katastrophalen Zusammenbruch geschützt werden kann. Neue Erkenntnisse über die Art und Weise, wie Kilauea abrutscht, können leicht auf andere Inselvulkane verallgemeinert werden, die möglicherweise keine ähnlichen Stützstrukturen haben.

Unabhängig von den spezifischen Umständen einer Insel würde der Übergang vom geräuschlosen Schlupf zum abrupten Zusammenbruch eine plötzliche Beschleunigung der mobilen Steigung bedeuten. Im schlimmsten Fall würde diese Beschleunigung sofort auf halsbrecherische Geschwindigkeiten übergehen, so dass keine Möglichkeit für eine frühzeitige Erkennung und Warnung besteht. Im besten Fall würde die Beschleunigung in Auf und Ab auftreten, in einer Kaskade stiller Erdbeben, die sich langsam zu regelmäßigen Erdbeben ausweiteten, und dann zur Katastrophe. Ein ununterbrochenes GPS-Netzwerk könnte diese unruhige Beschleunigung leicht erkennen, lange bevor es zu Bodenerschütterungen kam und mit etwas Glück rechtzeitig für eine nützliche Tsunami-Warnung.

Wenn der Zusammenbruch groß genug wäre, könnte eine Warnung von einigen Stunden oder gar Tagen nur wenig trösten, da es an diesem Punkt so schwierig wäre, alle zu evakuieren. Dieses Problem wirft die Frage auf, ob die Behörden möglicherweise präventive Maßnahmen ergreifen. Das Problem der Stabilisierung der Pendelflanken ozeanischer Vulkane ist prinzipiell lösbar. In der Praxis wäre der Aufwand jedoch enorm. Betrachten Sie einfache rohe Gewalt. Wenn genügend Gestein aus dem Oberlauf einer instabilen Vulkanflanke entfernt wurde, würde die potentielle Energie der Schwerkraft, die das System zum Zusammenbruch treibt, für mehrere hunderttausend Jahre verschwinden. Eine zweite mögliche Methode - eine instabile Flanke langsam durch eine Reihe kleiner Erdbeben zu senken - wäre viel billiger, aber mit geologischen Unbekannten und potenziellen Gefahren behaftet. Wissenschaftler könnten sich als Hilfsmittel dafür einsetzen, um genau das zu verhindern, was gerade in Kilauea stille Erdbeben verursacht.

Neun Tage vor dem jüngsten stummen Erdbeben in Kilauea ließ ein Gewitterregen in knapp 36 Stunden fast einen Meter Wasser auf den Vulkan fallen. Geologen wissen seit langem, dass Wasser, das in Fehler gerät, Erdbeben auslösen kann, und neun Tage sind ungefähr so ​​viel Zeit, wie sie schätzen, dass Wasser durch Risse und Poren im gebrochenen Basaltgestein von Kilauea bis zu fünf Kilometer Tiefe verarbeitet werden muss. wo das stille Erdbeben stattgefunden hat. Meine Kollegen und ich vermuten, dass die Belastung des darüber liegenden Felsens das Regenwasser unter Druck setzt, die Seiten der Störung auseinander drückt und es ihnen viel leichter macht, aneinander vorbeizukommen.

Diese Entdeckung verleiht der umstrittenen Idee Glauben, Wasser oder Dampf zwangsweise in Fehlerstellen an der Basis einer instabilen Flanke einzuspritzen, um die stresslindernden Erdbeben auszulösen, die erforderlich sind, um sie langsam herunterzulassen. Diese Art von vom Menschen verursachtem Ausrutscher tritt in geothermischen Anlagen und an anderen Orten, an denen Wasser in die Erde gepumpt wird, immer in sehr kleinen Maßstäben auf.

Bei Vulkanen besteht die extreme Schwierigkeit jedoch darin, die richtige Flüssigkeitsmenge an den richtigen Ort zu bringen, um nicht den unbeabsichtigten Kollaps zu erzeugen, der vermieden werden sollte. Einige Geophysiker betrachteten diese Strategie als einen Weg, um Stress durch die berüchtigte San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien zu lindern, aber letztendlich gaben sie die Idee auf, weil sie befürchten, dass sie mehr Probleme schaffen würde als sie lösen würden.

Keile Wasser
Die Entdeckung stiller Erdbeben zwingt die Wissenschaftler dazu, die verschiedenen Aspekte der Verwerfungsbewegung zu überdenken - einschließlich der Beurteilung der Erdbebengefährdung -, um die Aufmerksamkeit auf das Phänomen des katastrophalen Zusammenbruchs der Flanke eines Vulkans zu lenken. Im US-amerikanischen Pazifischen Nordwesten haben Ermittler entlang der gewaltigen Cascadia-Störungszone zwischen der nordamerikanischen Platte und der Juan de Fuca-Platte viele stumme Erdbeben beobachtet. Ein merkwürdiges Merkmal dieser stillen Erdbeben ist, dass sie in regelmäßigen Abständen auftreten - tatsächlich so regelmäßig, dass Wissenschaftler ihr Vorkommen erfolgreich vorhersagen.

Diese Vorhersagbarkeit beruht höchstwahrscheinlich auf der Tatsache, dass Wasser, das unterhalb der Subduktionszonen fließt, eine signifikante Kontrolle darüber ausüben kann, wann und wo diese Fehler geräuschlos abrutschen. Wenn die Ablenkplatte tiefer in die Erde sinkt, stößt sie auf immer höhere Temperaturen und Drücke, die die beträchtliche Menge an Wasser freisetzen, die in wasserreichen Mineralien eingeschlossen ist, die in der Platte vorhanden sind. Die stummen Erdbeben können dann auftreten, wenn eine Flüssigkeitsmenge aus der Bramme hochgearbeitet wird. Wenn die Flüssigkeit vorbeiströmt, wird die Störungszone etwas geklemmt, wodurch möglicherweise ein langsamer Schlupf erfolgt.

Darüber hinaus berichteten Garry Rogers und Herb Dragert vom Geological Survey of Canada im vergangenen Juni, dass diese stillen Erschütterungen sogar als Vorläufer für einige der großen, bodenschüttelnden Schocks der Region dienen könnten. Da die langsamen Ausrutscher tief und in diskreten Intervallen auftreten, regulieren sie die Geschwindigkeit, mit der sich die Spannung im flacheren Teil der Störungszone ansammelt, die sich anpassend anlegt. In diesem flachen, gesperrten Abschnitt des Fehlers dauert es normalerweise Jahre oder sogar Jahrhunderte, bis sich der Stress angesammelt hat, der erforderlich ist, um einen großen Schock auszulösen. Rogers und Dragert vermuten jedoch, dass ein stiller Schlupf diesen Stressaufbau dramatisch beschleunigen kann, wodurch das Risiko eines regelmäßigen Erdbebens in den Wochen und Monaten nach einem stillen Erdbeben erhöht wird.

Stille Erdbeben zwingen Wissenschaftler, die seismischen Vorhersagen auch in anderen Teilen der Welt zu überdenken. Regionen Japans, die sich in der Nähe von mehreren sogenannten seismischen Lücken befinden - Gebieten, in denen in einer ansonsten seismisch aktiven Region weniger regelmäßige Erdbeben als erwartet auftreten - sind vermutlich für einen destruktiven Schock überfällig. Wenn der stille Schlupf diese Störungen jedoch ohne Stress durch die Wissenschaftler gemildert hat, ist der Gefährdungsgrad tatsächlich geringer als er denkt. Wenn ein stiller Schlupf bei Fehlern entdeckt wird, die bisher als inaktiv angesehen wurden, müssen diese Strukturen sorgfältig geprüft werden, um festzustellen, ob sie auch zerstörerische Erdbeben verursachen können.

Wenn zukünftige Studien zeigen, dass stille Erdbeben ein gemeinsames Merkmal der meisten großen Fehler sind, werden die Wissenschaftler gezwungen sein, alte Lehren über alle Erdbeben erneut zu durchschauen. Die Beobachtung vieler unterschiedlicher Geschwindigkeiten des Fehlschlupfes stellt eine große Herausforderung für Theoretiker dar, die versuchen, den Fehlerprozess beispielsweise mit fundamentalen physikalischen Gesetzen zu erklären. Es wird nun angenommen, dass die Anzahl und Größe der beobachteten Erdbeben mit einem ziemlich einfachen Reibungsgesetz erklärt werden kann. Aber kann dieses Gesetz auch stille Erdbeben erklären? Bisher wurde keine endgültige Antwort gefunden, aber die Forschung geht weiter.

Stille Erdbeben treten gerade erst in das öffentliche Lexikon ein. Diese subtilen Ereignisse deuten auf ein exponentielles Verständnis für das Wie und Warum von Fehlschlupf hin. Die Bedeutung der Entschlüsselung des Fehlschlupfes ist schwer zu überschätzen, denn wenn Fehler schnell abrutschen, können sie immense Schäden verursachen, manchmal in großer Entfernung von der Quelle. Die Existenz stiller Erdbeben gibt den Wissenschaftlern einen völlig neuen Blickwinkel auf den Rutschprozess, indem sie die Fehlerzonen in jeder Phase ihrer Bewegung detailliert untersuchen.