Warten auf den vollständigen Bruch

Im April 2015 schüttelte es in Nepal und besonders in der Region um die Hauptstadt Kathmandu gewaltig. Ein Erdbeben von Magnitude 7,8 zerstörte ganze Dörfer, Verkehrswege und Kulturdenkmäler, tötete insgesamt 9000 Menschen.

Doch dem Land könnten noch weitaus stärkere Erdbeben von Magnitude 8 oder höher drohen. Dies schliessen eine Gruppe von Erdwissenschaftlern der ETH Zürich anhand eines neuen Modells, das die Kollisionszone zwischen der Indischen und der Eurasischen Platte im Bereich des Himalajas beschreibt. Mit ihrem Modell konnten die ETH-Forscher um Doktorand Luca Dal Zilio aus der Gruppe von Professor Taras Gerya am Institut für Geophysik nun zum ersten Mal mit hoher Auflösung die Erdbebenzyklen an einem Querschnitt der Bruchzone simulieren.

Teilrisse bauen mehr Spannung auf

«Beim 2015er-Beben brach nur ein Teil des Bruchsystems, welches die beiden Kontinentalplatten abgrenzt. Der vorderste, oberflächennahe Teil der Bruchzone, wo die Indische unter die Eurasische Platte abtaucht, riss nicht und steht immer noch unter Spannung», erklärt Luca Dal Zilio, Erstautor einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Communications erschienen ist.

Normalerweise löst ein grösseres Beben in der näheren Umgebung um den Bebenherd fast alle Spannungen, die sich durch die Verschiebung der Platten aufgebaut haben. «Unser Modell zeigt, dass das Gorkha-Beben zwar Spannungen in einem Teil der Bruchzone abgebaut hat, dafür haben die Spannungen in ihrem frontalen Teil nahe dem Fuss des Himalaja sogar noch zugenommen. Das scheinbar Paradoxe ist, dass die «mittelgrossen» Beben wie das Gorkha-Beben erst die Voraussetzungen für ein Mega-Beben schaffen», sagt Dal Zilio.

Beben von der Stärke des Gorkha-Bebens können das Bruchsystem nur in den tieferen Teilbereichen auf Längen von 100 bis 200 Kilometern entspannen. Im Gegenzug baut sich neue und noch grössere Spannung in oberflächennahen Bereichen der Bruchzone auf.

Gemäss den Simulationen von Dal Zilio und Kollegen sind zwei bis drei weitere Gorkha-Beben nötig, um genügend Spannung für ein Erdbeben der Magnitude 8,1 oder höher aufzubauen. Bei einem solchen Beben reisst die Bruchzone auf einer Länge von mindestens 200 Kilometern und über den gesamten Tiefenbereich bis an die Erdoberfläche. Das führt schliesslich zu einer kompletten Entspannung auf diesem Segment des insgesamt etwa 2000 Kilometer langen Bruchsystems.

Historische Daten belegen, dass auch solche Mega-Events vorgekommen sind. 1950 etwa trat das sogenannte Assam-Beben mit einer Magnitude 8,6 auf, die Bruchzone riss auf mehreren hundert Kilometern Länge und über den gesamten Tiefenbereich. 1505 entlud sich ein gigantisches Erdbeben so, dass die Bruchzone gar auf einer Länge von rund 800 Kilometern brach.

Erdbebenzyklen überlagern sich

«Mit dem neuen Modell erkennen wir, dass es nicht nur eine Form von starken Erdbeben im Himalaja gibt sondern mindestens zwei, deren Zyklen sich teilweise überlagern», sagt Edi Kissling, Professor für Seismologie und Geodynamik. Super-Beben könnten mit einer Periodizität von 400 bis 600 Jahren auftreten, «mittelgrosse» Beben vom Gorkha-Typus hingegen mit einer Wiederkehrrate von bis zu wenigen hundert Jahren. Weil sich die Zyklen überlagern, rechnen die Forscher mit starken und gefährlichen Erdbeben in unregelmässigen Abständen.

Wann allerdings wieder ein extrem grosses Erdbeben auftreten wird, können die Forscher nicht voraussagen. «Niemand kann Erdbeben voraussagen, auch nicht das neue Modell. Wir können jedoch die seismische Gefährdung in einem Gebiet besser verstehen und entsprechende Vorsorge treffen», sagt der ETH-Professor.

Das Modell ist zweidimensional und hochauflösend. Es bezieht teilweise auch Forschungsresultate mit ein, die nach dem Gorkha-Beben publiziert wurden. Gerechnet wurden die Simulationen auf dem Grossrechner Euler der ETH Zürich. «Ein dreidimensionales Modell wäre zwar genauer und könnte auch für die westlichen und östlichen Randgebiete des Himalaja Aussagen erlauben. Will man jedoch die ganzen 2000 Kilometer der Bruchzone abbilden, erfordert dies enorme Rechenkapazitäten, die nicht einmal die Hochleistungsrechner am CSCS bieten», sagt Dal Zilio.

Gewaltige Kräfte am Werk

Dort, wo Nepal liegt, treffen zwei Kontinente aufeinander: Indien und Eurasien. Dabei taucht die Indische Platte unter die Eurasische in den Erdmantel ab. Aufgrund der Sogwirkung, den die in den Mantel abtauchende Indische Platte ausübt, schiebt sich der Indische Subkontinent mit bis zu 4 Zentimetern jährlich nordwärts.

Als Folge davon reiben sich die Platten entlang dem 2000 Kilometer langen Bruchsystem aneinander, wodurch grosse Spannungen entstehen. Bei einem Erdbeben entladen sich diese Spannungen schlagartig und die Platten werden dabei ruckartig zueinander versetzt. Deshalb treten in Nepal und am Südfuss des Himalajas immer wieder sehr starke Erdbeben auf.