ERDBEBEN IM LABOR: DAS WASSER, DAS UMSCHLÄGT

Ein Erdbeben ereignet sich, wenn die Spannung auf einer Verwerfung ihre Festigkeit übersteigt: Die beiden Blöcke rutschen plötzlich ab. In wassergesättigten Verwerfungen spielt der Druck des Wassers in den Poren des Gesteins eine zentrale Rolle. Je höher er ist, desto weniger werden die Blöcke aneinandergepresst — und desto leichter gleitet die Verwerfung.

Zwei Mechanismen konkurrieren während eines Abgleitens:

1. Thermische Druckbeaufschlagung (thermal pressurisation). Reibung erhitzt die Verwerfung. Wasser dehnt sich viel stärker aus als Gestein, also steigt sein Druck, „hebt“ die Verwerfung an und schwächt sie. Es gilt weithin als Treiber großer Erdbeben — wurde aber im Labor selten direkt beobachtet.
2. Dilatante Verfestigung (dilatant strengthening). Wenn das Gestein geschert wird und reißt, entsteht Hohlraum. Der Wasserdruck sinkt, die Blöcke pressen stärker aufeinander, und die Verwerfung wird fester — was den Bruch möglicherweise abbremst.

Im Gelände sank der Wasserspiegel in Brunnen nahe der Verwerfung rasch nach dem Erdbeben von Hualien 2018 in Taiwan (Magnitude 6,3) und dem Erdbeben von Kumamoto 2016 in Japan (Magnitude 7,0). Welcher Effekt gewinnt also, und wann?

Miniaturerdbeben

Das Team von Caiyuan Fan, Harsha Bhat und Alexandre Schubnel am Geologischen Labor der École normale supérieure in Paris verwendete Zylinder aus Westerly-Granit, 85 mm lang und 40 mm breit. Das Gestein wurde auf 450 °C erhitzt, um es rissig zu machen, und dann unter 30° zersägt, um eine Verwerfung zu erzeugen, deren Flächen mit Diamantpaste poliert wurden.

• Sechs Wasserdrucksensoren: vier direkt am Rand der Verwerfung (innerhalb eines halben Millimeters), zwei weiter entfernt im Gestein.
• Eine Hochdruckpresse belastete die Proben bei effektiven Umschließungsdrücken von 30, 45 und 60 Megapascal, mit Wasser bei 25 oder 45 MPa.
• Die Belastung erfolgte sehr langsam (0,3 Mikrometer pro Sekunde). Die Verwerfung baut Spannung auf und gleitet dann auf einmal ab — ein Laborerdbeben. Ein Experiment erzeugte mehr als 100 davon.

Was sie beobachteten

Zuerst thermische Druckbeaufschlagung — direkt beobachtet.

• Bei den ersten Erdbeben stieg der Wasserdruck während des Abgleitens, im selben Moment, in dem die Spannung abfiel.
• Beim ersten Ereignis: ein Spannungsabfall von etwa 2,2 MPa, ein Druckanstieg von etwa 7 MPa, ein Versatz von etwa 0,05 mm und eine Druckanstiegsrate von bis zu 180 MPa pro Sekunde.
• Das theoretische Modell der thermischen Druckbeaufschlagung gibt diese Anstiege gut wieder.
• Ein Vorläufer: Der Wasserdruck begann mehr als 50 Sekunden vor dem Bruch zu steigen, während sich die Spannung kaum veränderte.

Dann der Umschwung zur Dilatanz.

• Erdbeben um Erdbeben begann der Druck zu fallen statt zu steigen — um bis zu etwa 15 MPa, mit bis zu 380 MPa pro Sekunde. In einem Experiment näherte er sich null.
• Auch hier ein Vorläufer: Der Druck begann 10 Sekunden vor dem Bruch zu sinken.
• Der Umschwung zeigte sich in allen vier Experimenten.

Schnell, langsam, schnell. Zwischen den beiden Phasen traten langsame Erdbeben auf, eine bis drei Größenordnungen langsamer als die schnellen. In der durchlässigsten Probe fehlten sie.

Warum sich die Verwerfung veränderte

Die Scherzone wurde etwa zehnmal dicker, von etwa 0,05 mm auf etwa 0,4 mm. Die Wärme verteilte sich auf mehr Gestein, und die geschätzte Erwärmung fiel von etwa 10 Grad auf 0,2 Grad. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte die Verwerfung Flecken zermahlenen Gesteins, durch Reibung geschmolzene Gesteinsfäden und eine geschädigte Zone von im Mittel etwa 60 Mikrometern Tiefe.

Eine Überraschung: In der späten Phase war die Dilatanz stärker, und dennoch waren die Brüche schneller. Dilatanz allein stabilisiert die Verwerfung nicht; andere schwächende Prozesse sind am Werk.

Grenzen

Die Autoren mahnen zur Vorsicht beim Vergleich mit natürlichen Verwerfungen: Diese Experimente berücksichtigen nicht das Ausheilen von Verwerfungen zwischen Erdbeben. Außerdem mittelten sie die vier Sensoren, die ein ungleichmäßiges Druckfeld offenbaren.

Ein Fenster in den Zustand einer Verwerfung

Laut den Autoren ist dies der erste experimentelle Nachweis beider gegensätzlicher Wasserdruckreaktionen sowie einer Bandbreite schneller und langsamer Erdbeben an einer einzigen, sich entwickelnden Verwerfung. Das stellt die Vorstellung infrage, dass thermische Druckbeaufschlagung große, schnelle Erdbeben stets dominiert. Und Wasserdrucksignale könnten zu einem Fenster in den Zustand einer Verwerfung werden.