Die unerwartete Physik hinter den verheerenden Erdbeben in der Türkei im Jahr 2023

Eine neue Studie von Forschern der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego nutzt einen multidisziplinären Ansatz, um die Komplexität der beiden tödlichen Erdbeben von nahezu gleicher Stärke zu entschlüsseln, die am 6. Februar 2023 die Türkei und Syrien erschütterten.

Die heute in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichte Studie kommt zu dem Ergebnis, dass jedes der beiden Beben mit einer Stärke von 7,8 bzw. 7,7 unerwartete Elemente aufwies, die zusammengenommen die Erschütterungen noch zerstörerischer machten.

„Die Erdbeben ereigneten sich an bekannten Verwerfungen und waren in diesem Sinne zu erwarten“, sagte der Scripps-Geophysiker Yuri Fialko, Mitautor der Studie. „Was unerwartet war, war ihre Größe – sie waren viel größer als alle bekannten früheren Erdbeben an denselben Verwerfungen. Dies geschah, weil diese Erdbeben viele unerwartete Dinge bewirkten, die sie nicht tun sollten.“

Das erste der beiden Erdbeben nahm aufgrund einer unwahrscheinlichen „Kaskade“ von Brüchen an Stärke zu, die verschiedene Verwerfungsbiegungen und -verbindungen durchbrachen, von denen normalerweise erwartet wird, dass sie als Barrieren für den sich ausbreitenden Bruch wirken. Die zweite Erschütterung hatte aufgrund eines unerwarteten Phänomens namens „Supershear-Bruch“ noch einen zusätzlichen Schlag, bei dem die Verwerfung schneller aufbricht, als die seismischen Scherwellen durch die Erdkruste wandern können, wodurch ein Überschallknall-ähnlicher Effekt entsteht, der die zerstörerische Kraft des Erdbebens verstärkt.

Fialko sagte auch, dass die Ergebnisse durch die Aufzählung der seltsamen und ungewöhnlichen Aspekte dieser Erdbeben die Notwendigkeit unterstreichen, die Möglichkeit ähnlich seltener oder extremer Ereignisse in Erdbebenvorsorgeplänen auf der ganzen Welt einzubeziehen. Insbesondere sagte er, dass die Einbeziehung seltener, aber möglicher Szenarien eine wertvolle Übung in Gebieten in der Nähe der San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien wäre, bei der es sich seiner Meinung nach um ein strukturell ähnliches Verwerfungssystem wie das Ostanatolische Verwerfungssystem handelt, das diese beiden Erdbeben verursacht hat.

Die Türkei ist wie Kalifornien ein Erdbebenland. Es liegt inmitten einer komplexen Reihe von Verwerfungen, an denen die eurasische, arabische und anatolische tektonische Platte aufeinandertrifft. Die Arabische Platte bewegt sich nach Norden in Richtung der Eurasischen Platte, wobei die gesamte Türkei und ihre anatolische Platte zwischen beiden eingeklemmt werden.

„Die einfachste Analogie besteht zu Wassermelonenkernen“, sagte Fialko. „Sie sind rutschig und wenn man einen zwischen den Fingern drückt, will er in eine Richtung schießen. Auf beiden Seiten der anatolischen Platte herrscht Druck und sie versucht, in westlicher Richtung herauszuschießen wie ein Wassermelonenkern zwischen zwei Fingern.“

Entlang dieser tektonischen Grenzen kann sich Spannung in den felsigen oberen Schichten der Erdkruste entlang der Verwerfung ansammeln, wenn die beiden Seiten aufgrund von Reibung und Klemmdruck stecken bleiben, während die darunter liegenden Platten etwa 20 km (12 Meilen) tief unter die Erde gleiten. Erdbeben treten auf, wenn die angesammelte Spannung schließlich die auf die obere Kruste wirkende Reibung und den Klemmdruck überwindet und die beiden Seiten der Verwerfung plötzlich und heftig abrutschen, um mit der in der Tiefe auftretenden tektonischen Bewegung Schritt zu halten.

Dies alles bedeutet, dass die Region um die Türkei eine lange Geschichte großer, tödlicher Erdbeben hat, von dem Erdbeben, das die syrische Stadt Aleppo im Jahr 1138 zerstörte, bis zum Erdbeben im Jahr 1999, das die türkische Stadt İzmit erschütterte.

Die Forscher von Scripps begannen fast unmittelbar nach ihrem Auftreten mit der Untersuchung der Erdbeben von 2023, in der Hoffnung, die Prozesse besser zu verstehen, die zu diesen verheerenden seismischen Ereignissen führten, die in der Türkei und in Syrien mehr als 50.000 Menschen das Leben kosteten. Die National Science Foundation, die NASA, der US Geological Survey, die Cecil and Ida Green Foundation und das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union haben alle zur Finanzierung der Studie beigetragen.

Das offensichtlichste ungewöhnliche Merkmal der Beben war ihre nahezu identische Stärke, die ohne große Analyse erkannt werden musste. Die zweite Erschütterung, die sich etwa neun Stunden nach der ersten ereignete, war technisch gesehen kein Nachbeben, sondern vielmehr der zweite Akt dessen, was Seismologen als Dublette bezeichnen – zwei Erdbeben ähnlicher Stärke, die innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne auftreten.

Um mehr zu erfahren, kombinierte das Team drei Disziplinen: über Satelliten gesammelte geodätische Beobachtungen, seismische Aufzeichnungen am Boden und zwei Arten von Computermodellsimulationen zur Nachbildung der Erdbeben.

Die geodätische Komponente der Studie nutzte Satelliten, um Veränderungen in der Erdoberfläche zu messen, die das Gleiten quantifizieren konnten, was es den Forschern ermöglichte, Rückschlüsse auf die geologischen Veränderungen zu ziehen, die während des Erdbebens unter der Oberfläche stattfanden. Die seismischen Messungen stammten von Hunderten seismischen Instrumenten, die in unmittelbarer Nähe der Erdbeben und auf der ganzen Welt positioniert waren und die seismischen Wellen aufzeichneten, die sich durch die Erde ausbreiteten. Der seismische Aspekt der Studie zeigte nicht nur die Stärke der Erdbeben, sondern auch ihren Verlauf im Laufe der Zeit.

Schließlich kombinierte das Team diese Beobachtungen mit zwei Arten von Computermodellen, um herauszufinden, wie es zu den beiden Erdbeben kam und was sie verursachte. Der erste Modelltyp war das sogenannte kinematische Modell. Im Wesentlichen fügten die Forscher ihre Beobachtungsdaten dem kinematischen Modell hinzu, um abzubilden, wie sich die Brüche entlang der Verwerfungen bewegten, mit dem Ziel, ein möglichst detailliertes Bild davon zu erstellen, was unter der Erdoberfläche geschah.

Aus diesem kinematischen Modell des Bruchs der Verwerfung konnte das Team die Konfiguration der anfänglichen Spannungen, die die Erdbeben verursachten, rückentwickeln. Mit diesen anfänglichen Belastungen wandten sich die Forscher dann einem sogenannten dynamischen 3D- oder physikbasierten Modell zu.

Diese Art von Computermodell ähnelt eher der Durchführung einer 3D-Simulation. Das Team gibt die Anfangsspannungen ein und dann spielt das Modell mit Hilfe von Supercomputern, die teilweise mehrere Tage lang laufen, das Szenario auf der Grundlage komplexer Gleichungen durch, die unser Wissen über die maßgebliche Physik bei Erdbeben widerspiegeln.

„Auf diese iterative Weise können wir Bruchszenarien generieren, die sowohl mit unseren Beobachtungen als auch mechanisch mit dem übereinstimmen, was wir über Reibung und dynamische Spannungen wissen“, sagte Fialko. „Dies kann uns helfen, die Mechanismen hinter dem Erdbeben zu verstehen und das Geschehen nachzustellen.“

Diese mehreren Analyselinien ergaben, dass das anfängliche Erdbeben der Stärke 7,8 als Stärke 6,8 in einem Nebengebiet der Ostanatolischen Verwerfung, der sogenannten Nurdağı-Pazarcık-Verwerfung, begann und sich dann auf die Hauptverwerfung in Ostanatolien ausbreitete. Zusätzlich zum Durchbruch dieser Kreuzung mit der Ostanatolischen Verwerfung durchbrach der Bruch drei weitere Knicke und Verzweigungspunkte in der Verwerfung, Barrieren, von denen man normalerweise annimmt, dass sie der Ausbreitung von Brüchen Einhalt gebieten. Das Durchbrechen dieser vier Verwerfungsbarrieren trug dazu bei, dass die Stärke des Erdbebens von 6,8 auf 7,8 anstieg.

Bei diesem ersten Beben wurden die eingeklemmten Gesteine ​​der Ostanatolischen Verwerfung in beide Richtungen auseinandergerissen, so dass eine Bruchlänge von insgesamt etwa 300 Kilometern (186 Meilen) entstand – der längste bekannte Bruch entlang der Verwerfung. Auch die Tatsache, dass sich der Bruch in beide Richtungen ausbreitete, als er die Ostanatolische Verwerfung erreichte, sei unerwartet gewesen, da nur eine der Richtungen mechanisch begünstigt wurde, sagte Fialko.

Laut Zhe Jia, einem Postdoktoranden bei Scripps und Hauptautor der Studie, verursachte das Ereignis der Stärke 7,8 statische und dynamische Spannungsstörungen im Verwerfungssystem, einschließlich eines Abrutschens von bis zu acht Metern (26 Fuß) an einigen Stellen, was möglicherweise zu Störungen geführt hat das zweite Erdbeben neun Stunden später.

Jia stellte fest, dass die Fehler in einem komplexen System wie diesem immer miteinander im Dialog stehen.

„Die Entspannung in einem Abschnitt des Verwerfungssystems wirkt sich auf benachbarte Abschnitte aus und erhöht möglicherweise die Spannung oder verringert den Klemmdruck auf eine Weise, die einen Bruch wahrscheinlicher macht“, sagte Jia.

Die aktuelle Studie kann jedoch noch nicht vollständig erklären, warum das zweite Beben der Stärke 7,7 erst nach neun Stunden begann.

Das Team stellte fest, dass sich das zweite Erdbeben an der Savrun-Çardak-Verwerfung ereignete, wobei die gesamte Bruchlänge in Ost-West-Richtung nur etwa 150 Kilometer (93 Meilen) betrug. Obwohl die Bruchlänge nur etwa halb so groß war wie beim ersten Erdbeben, gelang es dem zweiten Erdbeben fast, die Stärke des ersten zu erreichen, da es mehr Abrutschen aufwies (bis zu 10 Meter oder 32 Fuß) und einen Superscherungsbruch aufwies.

Bei Supershear-Erdbeben schreitet der Bruch schneller voran, als die seismischen Scherwellen durch die Erdkruste wandern können.

„Das Konzept ähnelt einem Überschallknall, bei dem sich ein Objekt schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegt“, sagte Jia. „Wenn Superscherungs-Bruchgeschwindigkeiten auftreten, ist die Amplitude seismischer Wellen höher und sie behalten ihre Energie über größere Entfernungen, was zu größeren Bodenverformungen führen und Bodenerschütterungen zerstörerischer machen kann.“

Supershear-Brüche sind statistisch gesehen selten und treten noch seltener bei Verwerfungen wie der Savrun-Çardak auf, die zerklüftet ist und als geologisch unausgereift gilt, da sie durch frühere seismische Aktivitäten noch keine große Verschiebung aufweist. Im Allgemeinen brechen unreife Verwerfungen langsamer als reife Verwerfungen, wodurch Superscherungsereignisse weniger wahrscheinlich sind.

Die Ergebnisse unterstreichen die Vorteile der Kombination mehrerer Beobachtungslinien mit datengesteuerten und physikbasierten Computermodellen, wenn es darum geht, die komplexe Dynamik schwerer Erdbeben zu verstehen, sagte Fialko.

Er sagte, die Studie unterstreiche auch die Notwendigkeit, für seltene Szenarien zu planen, auch wenn diese eher in weiter Ferne liegen.

„Wir können uns bei der Bewertung seismischer Gefahren nicht ausschließlich auf das verlassen, was wir in den paläoseismischen Aufzeichnungen sehen“, sagte Fialko. „Vergangenheit ist Prolog, aber nur bis zu einem gewissen Grad. Es besteht immer die Möglichkeit, dass das nächste Erdbeben stärker sein wird als das vorhergehende.“

Diese Lektion ist für Kalifornien von Bedeutung, und Fialko sagte, es wäre gut, die Möglichkeit eines Bruchs der San-Andreas-Verwerfung auf statistisch unwahrscheinliche Weise in Betracht zu ziehen, insbesondere angesichts der strukturellen Ähnlichkeiten mit dem Ostanatolischen Verwerfungssystem.

Die Scripps-Absolventen Zeyu Jin, Xiaoyu Zou und John Rekoske sowie die Fakultätsmitglieder Alice-Agnes Gabriel, Wenyuan Fan und Peter Shearer trugen zu der Studie bei. Mitautoren waren außerdem Mathilde Marchandon und Thomas Ulrich von der Ludwig-Maximilians-Universität sowie Fatih Bulut und Asli Garagon von der Bogazici-Universität.

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