Verformte Schichten in einem alten Gesteinsbruch sehen aus, als hätte sich zäher Ton während eines Bebens wie eine Flüssigkeit bewegt. Eine Analyse der Wirbelspuren auf Japans Boso-Halbinsel deutet darauf hin, dass Reibungshitze Wasser im Gestein unter Druck setzte und die Störung dadurch stark schwächte. Damit liefert die Untersuchung einen möglichen Mechanismus für besonders weite Verschiebungen am Meeresboden, aus denen Tsunamis entstehen können. Ob dieser Ablauf auch bei heutigen Beben regelmäßig auftritt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Auf der Boso-Halbinsel östlich von Tokio haben Tatsuru Fukuta und Tetsuro Hirono eine fossile Störungszone untersucht, deren innere Schichten ungewöhnliche Strömungsmuster bewahren. In dunklem, feinkörnigem Gestein verlaufen einzelne Lagen wellig, biegen sich zu Bögen und bilden kleine Wirbel, wie sie auch in bewegten Flüssigkeiten entstehen. Diese Strukturen stammen aus einer tektonischen Bruchzone, die einst am Meeresboden lag und später durch geologische Hebung an die Oberfläche gelangte.
Fukuta und Hirono von der Osaka Metropolitan University werteten mikroskopische Aufnahmen, die Verteilung chemischer Elemente und die Geometrie der verformten Lagen gemeinsam aus. Anschließend half ein hydrodynamisches Modell dabei, aus den sichtbaren Strukturen abzuschätzen, wie zäh das Material während der Bewegung gewesen sein muss. Die Originalarbeit in Scientific Reports weist eine extrem geringe Viskosität aus, die in der Größenordnung von Wasser liegt und für gewöhnlichen, festen Ton kaum vorstellbar wäre.
Untersucht wurde die Hauptgleitfläche innerhalb der Hota-Gruppe, einer Gesteinsabfolge des Boso-Akkretionskeils. Solche Akkretionskeile entstehen an Subduktionszonen, wenn Sedimente und Gesteinsstücke von einer abtauchenden Erdplatte abgeschabt und an den Rand der darüberliegenden Platte geschoben werden. Die untersuchte Störung enthält deshalb ein Archiv früherer Bewegungen, das Forschende heute direkt im aufgeschlossenen Fels lesen können.
Unter dem Mikroskop unterscheiden sich mehrere deutlich begrenzte Bereiche. Das Team erkannte planparallel geschichtete Lagen, turbulent wirkende Bänder mit gebogenen Lamellen, brekziierte Zonen aus zerbrochenen Gesteinsstücken sowie massive Bereiche ohne erkennbare Schieferung. Die scharfen Übergänge sprechen dafür, dass die einzelnen Lagen bei getrennten Gleitereignissen entstanden sein können und nicht einfach eine einzige gleichmäßige Verformung abbilden.
Besonders auffällig sind die turbulent wirkenden Abschnitte. Ihre feinen Bänder wölben sich, laufen umeinander und bilden Strukturen, die an Wirbel in einer Strömung erinnern. Im Gestein sind diese Formen dauerhaft eingefroren, obwohl sie während der Bewegung offenbar durch eine Mischung aus mineralischen Körnern und Wasser entstanden. Die Forschenden bezeichnen sie deshalb vorsichtig als turbulent-flow-like und nicht als direkte Aufzeichnung eines frei fließenden Flüssigkeitsstroms.
Die Einordnung ist wichtig, weil Gestein in einer Störung aus sehr unterschiedlichen Bestandteilen besteht. Tonminerale, Bruchstücke anderer Gesteine und Porenwasser können unter hohem Druck gemeinsam reagieren, sodass das Material seine mechanischen Eigenschaften verändert. Eine solche Zone kann sich während eines Bebens kurzfristig anders verhalten als das feste Gestein, das sie umgibt.
Warum diese kleinen Wirbel für die Gefahrenforschung interessant sind, macht das Tōhoku-Erdbeben vor der japanischen Ostküste deutlich. Während des Bebens verschob sich der Meeresboden entlang der Plattengrenze so stark, dass große Wassermassen verdrängt wurden und ein zerstörerischer Tsunami die Küste erreichte. Die Erschütterungen am Epizentrum dauerten fast sechs Minuten, doch die eigentliche Katastrophe entwickelte sich aus der Bewegung der tektonischen Platten unter dem Meer.
Bei Subduktionsbeben gleitet eine ozeanische Platte unter eine andere Platte und kann sich über lange Strecken verhaken. Steigt die Spannung, kann sich die Kontaktfläche plötzlich lösen und ruckartig verschieben. Je größer die Fläche ist, die sich bewegt, und je weiter sie gleitet, desto stärker kann sich auch der Meeresboden heben oder senken. Die Verdrängung überträgt Energie auf das Wasser und kann eine Tsunamiwelle auslösen. Seismische Wellen können auch weit entfernt Wasserkörper in Bewegung setzen, wie ein wassergefüllter Karstschacht in Nevada nach einem Beben in Mexiko zeigte.
Forschende diskutieren seit Langem, warum manche flachen Abschnitte solcher Plattengrenzen besonders große Verschiebungen zulassen. Reibungshitze und der Druck des Wassers in den Poren des Gesteins gehören zu den möglichen Erklärungen. Die neue Untersuchung liefert dazu einen konkreten Hinweis aus einem natürlichen Gesteinsarchiv: Eine Störungszone kann während des Gleitens in einen Zustand geraten, in dem ihr Material deutlich leichter gegeneinander bewegt wird.
Der Vergleich mit dem Zusammenspiel großer Erdbebenzonen an der US-Westküste zeigt, dass nicht nur die Stärke eines einzelnen Bebens zählt. Auch die räumliche Ausdehnung einer Bruchfläche und die zeitliche Abfolge benachbarter Bewegungen beeinflussen, wie viel Energie freigesetzt wird. Die Boso-Probe ergänzt diese Betrachtung um einen möglichen Prozess direkt innerhalb der gleitenden Störungszone.
Ausgangspunkt des vermuteten Mechanismus ist Reibung. Wenn sich zwei Gesteinsflächen gegeneinander bewegen, wandelt ein Teil der mechanischen Energie sich in Wärme um. Wasser, das in winzigen Poren und Rissen eingeschlossen ist, kann sich dabei stark erwärmen. Weil es in der engen Störungszone kaum entweichen kann, steigt sein Druck und verringert die Kraft, mit der die Gesteinsflächen aufeinandergepresst werden.
Geologen nennen diesen Vorgang thermische Druckerhöhung oder thermische Pressurisierung. Das Porenwasser übernimmt dabei einen Teil der Last, sodass die Körner weniger fest aufeinanderliegen und leichter aneinander vorbeigleiten. Für die untersuchte Hota-Störung sprechen frühere geochemische Befunde ebenfalls für einen solchen Prozess: Die Konzentrationen beweglicher Elemente wie Lithium, Rubidium, Strontium und Cäsium weichen vom umgebenden Gestein ab.
Geochemische Modellierungen führen diese Veränderungen auf Wechselwirkungen zwischen festen Mineralen und einer heißen Flüssigkeit zurück. Für die Reaktionen wird eine sehr hohe Temperatur angenommen. Die mikroskopischen Beobachtungen passen zu diesem Bild, weil die welligen Lagen und Wirbel eine zeitweise Verflüssigung des wassergesättigten Materials nahelegen.
Ein entscheidender Unterschied zur klassischen Bodenverflüssigung besteht darin, dass die Störung nicht vollständig zu einer frei fließenden Flüssigkeit werden muss. Schon eine starke Abnahme der inneren Reibung kann genügen, damit Körner und Tonpartikel unter Scherung gemeinsam strömen. In einem solchen Zustand verliert die Bruchzone einen großen Teil ihres Widerstands und kann eine weitere Verschiebung erleichtern.
Fukuta und Hirono rekonstruierten die Bewegung mit einem Modell, das eine Scherströmung zwischen zwei Flächen mit einem zusätzlichen Druckgefälle kombiniert. Diese Kombination wird als Couette-Poiseuille-Strömung beschrieben. Sie erlaubt es, sowohl die Bewegung durch gegeneinander gleitende Grenzflächen als auch den Einfluss eines Druckunterschieds innerhalb der Störung zu berücksichtigen.
Aus den Abständen, Formen und Krümmungen der Lagen leiteten die Autoren eine Viskosität zwischen 1,2 × 10⁻⁴ und 2,3 × 10⁻³ Pascal-Sekunden ab. Damit liegen die Werte in einem Bereich, in dem sich das Material ähnlich leicht bewegen kann wie Wasser. Gemeint ist die effektive Zähigkeit des fluidisierten Gemischs aus Körnern, Ton und Porenwasser während der Bewegung, nicht die Eigenschaft eines trockenen Gesteinsblocks im Ruhezustand.
Eine so geringe Viskosität kann die Reibung entlang einer Bruchfläche stark senken. Das Material wirkt dann wie eine dynamische Schmierung, die den Kontakt zwischen den Gesteinsflächen verändert und einen größeren Spannungsabfall ermöglicht. Ein größerer Spannungsabfall kann wiederum längere Gleitwege und eine weiter laufende Bruchausbreitung begünstigen.
Allerdings bleibt die Berechnung eine erste Abschätzung. Für den Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung verwendeten die Autoren einen kritischen Reynolds-Wert von 1400. Dieser Wert ist für eine Mischung aus Flüssigkeit und beweglichen Gesteinskörnern kein exakt bekannter Grenzwert, sondern dient als heuristische Annahme für die Modellierung. Präzisere Laborversuche und numerische Modelle müssen erst zeigen, wie sich solche Gemische unter realistischen Druck- und Temperaturbedingungen verhalten.
Die Gesteinsprobe zeigt einen Prozess, der sich während eines Erdbebens tief unter dem Meeresboden abspielen kann, aber an der Oberfläche nur indirekt erkennbar bleibt. Die Wirbelspuren sind deshalb besonders wertvoll: Sie halten eine Bewegung fest, die in einem aktiven Beben nur für kurze Zeit stattfindet und sich später kaum direkt messen lässt. Ähnliche Strukturen könnten Forschenden helfen, weitere fossile Störungszonen auf Hinweise für fluidisierte Gesteinsmischungen zu untersuchen.
Für die Tsunamiforschung ergibt sich daraus eine mögliche zusätzliche Messgröße. Wenn sich aus Gesteinsproben ableiten lässt, wie stark eine Störungszone während eines Bebens ihre Viskosität verliert, könnten Modelle die mögliche Gleitstrecke besser eingrenzen. Das wäre besonders relevant für flache Abschnitte von Subduktionszonen, an denen große Verschiebungen den Meeresboden unmittelbar bewegen können.
Die Übertragung auf heutige Bruchzonen ist jedoch noch offen. Die untersuchte Probe stammt aus einem fossilen Meeresboden und belegt einen vergangenen Vorgang, aber sie zeigt nicht, wie häufig derselbe Mechanismus bei aktiven Plattengrenzen auftritt. Auch ein direkter Nachweis, dass die damalige Bewegung einen Tsunami auslöste, liegt aus dieser Gesteinsstruktur allein nicht vor.
Als nächstes wollen die Forschenden ihre Methode auf weitere Störungen anwenden und die berechneten Eigenschaften mit unabhängigen Laboruntersuchungen vergleichen. Besonders aufschlussreich wären Proben aus unterschiedlichen Tiefen einer Subduktionszone, weil dort Temperatur, Wasserdruck und Zusammensetzung des Gesteins variieren. Erst solche Vergleiche können zeigen, ob die wirbelnden Bänder der Boso-Halbinsel ein seltenes Sonderereignis oder ein wiederkehrendes Merkmal großer Erdbeben sind.
Osaka Metropolitan University, Earthquakes make fault material flow like a liquid
Scientific Reports, Coseismic turbulence-like flow of fault material along the shallow portion of a plate-subduction-related fault; doi:10.1038/s41598-026-57630-y
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