Tohoku-Beben verschob Plattengrenze überraschend stark

Das Tohoku-Beben im März 2011 vor Japan hat nicht nur die Erdkruste aufgerissen und die Küsten verwüstet. Wie Forscher bei einer Expedition zum Japangraben feststellten, verschob sich durch das Beben der Stärke 9 auch die Grenze der Eurasischen Platte um fast drei Kilometer nach Osten – ein selbst für Geologen überraschend großes Ausmaß. Am Abhang des Japan-Grabens sackten zudem mindestens 28 Quadratkilometer Meeresboden ruckartig in die Tiefe, wie das deutsch-japanische Forscherteam im Fachmagazin „Geology“ berichtet.

Am Nachmittag des 11. März 2011 bebte vor der Küste der japanischen Region Tohoku die Erde für 150 lange Sekunden. Das Seebeben der Stärke 9 löste einen Tsunami aus, der weite Küstenstriche verwüstete und über 15.000 Menschen das Leben kostete. Unmittelbar nach dem katastrophalen Ereignis entwickelten japanische und deutsche Geowissenschaftler Expeditionspläne, um den Folgen des Bebens auf den Grund zu gehen. Bereits zehn Monate später war das japanische Forschungsschiff MIRAI vor der Tohoku-Küste im Einsatz. Im Februar/März 2012 fand zudem eine deutsch-japanische Fahrt mit dem Forschungsschiff SONNE statt. Dabei wurde der Meeresboden östlich des Epizentrums kartiert und beprobt. Jetzt haben die Expeditionsteams erste Ergebnisse der beiden Forschungsreisen vorgestellt.

Spurensuche am Japangraben

Ziel der Expeditionen waren Gebiete, in denen die Pazifische Platte unter der Ochotsk-Platte mit dem japanischen Vulkanbogen abtaucht. Häufige Erdbeben sind die Folge. Das Tohoku-Beben erreichte die Stärke 9, weil an den ineinander verkeilten Plattengrenzen Energien freigesetzt wurden, die sich seit dem letzten Megabeben im Jahre 869 aufgestaut hatten. Schon vor ihrer Forschungsreise wussten die Forscher, dass das Tohoku-Beben die Erdkruste vor Honshu auf einer Länge von 400 Kilometern aufgerissen und Teile der Küste ruckartig um bis zu fünf Meter Richtung Osten versetzt hatte. Am Rand des Japan-Grabens betrug der Versatz von Teilen der Erdkruste sogar über 50 Meter.

Unbekannt war indes, was sich im 7,5 Kilometer tiefen Graben selbst abgespielt hatte. Deshalb kartierten die Wissenschaftler an Bord der SONNE zunächst den Kilometer breiten Japan-Graben mit Hilfe von bordeigenen Echolotsystemen. Als sie diese Daten mit jenen verglichen, die 1999 und 2004, also weit vor dem Beben erhoben worden waren, konnten sie sich ein genaueres Bild davon machen, wie das Beben die Gestalt des Meeresbodens verändert hatte.

Keine großen Erdrutsche

Um mehr über die Umgestaltung des Meeresbodens heraus zu finden, zog das Expeditionsteam im Japan-Graben aus Wassertiefen von rund 7,5 Kilometer mehrere, knapp neun Meter lange Sedimentkerne. „Die im Lauf der Zeit abgelagerten Sedimentschichten waren weitgehend ungestört“, sagt Erstautor Michael Strasser von der ETH Zürich. „Damit konnten wir ausschließen, dass – ausgelöst durch das Beben – große Sedimentmassen abgerutscht, sich chaotisch hangabwärts bewegt und am Grund des Japan-Grabens wieder ablagert hatten.“ Lediglich an einigen wenigen Stellen fanden die Forscher Hinweise auf solch turbulent transportierte und umgelagerte Sedimente.

In einem weiteren Schritt analysierten die Wissenschaftler das in den Sedimentkernen enthaltene Porenwasser. Es findet in den Millimeter winzigen Räumen zwischen den Sedimentpartikeln Platz. „Wir haben Profile erstellt, die zeigen, wie sich die Sulfatgehalte im Meeresboden verändern“, sagt Martin Kölling, Geochemiker am MARUM. „Bei ungestörtem Meeresboden nimmt der Sulfatgehalt linear mit zunehmender Sedimenttiefe ab. Genau dieses Bild zeigte auch die Vielzahl unserer Proben.“ Einige der turbulent transportierten Sedimente boten die Möglichkeit, mit Hilfe von Modellen die Bewegungen im Japan-Graben zeitlich einzuordnen: Sie konnten sich erst in jüngster Vergangenheit ereignet haben und sind daher dem Tohoku-Erdbeben zuzuschreiben.

Verschobene Plattengrenze und Wülste am Grabengrund

„Auf der Grundlage all dieser Untersuchungen gehen wir von folgendem Szenario aus: Der durch das Beben ausgelöste ruckartige Versatz der Erdkruste um 50 Meter führte dazu, dass am Rand des Japan-Grabens großflächig Sedimentpakete als zusammenhängende Blöcke absackten“, bilanziert Michael Strasser. „An manchen Stellen stauchten die absackenden Sedimente den Meeresboden. So entstanden Wülste und Tröge am Grund des Japan-Grabens.“

Besonders erstaunt war das Forscherteam indes über einen weiteren Befund: Durch die Bewegungen der Sedimentmassen verschob sich die oberflächennahe Grenze der eurasischen Platte um zwei bis drei Kilometer nach Osten. „Als Geowissenschaftler sind wir es gewohnt, in sehr langen Zeiträumen von Jahrhunderttausenden oder gar -millionen zu denken“, sagt Gerold Wefer. „Diese Expeditionen haben uns gezeigt, dass Plattengrenzen bisweilen auch von plötzlichen Ereignissen in Sekunden oder Minuten tiefgreifend verändert werden können.“

(MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen, 06.08.2013 – NPO)