Erdbeben gehören zu den gewaltigsten Naturereignissen auf der Erde. Innerhalb weniger Sekunden können sie Landschaften verändern, Gebäude zerstören und ganze Regionen erschüttern. Dennoch ist bis heute nicht vollständig geklärt, was tief unter der Erdoberfläche genau passiert, wenn tektonische Platten aneinander vorbeigleiten.
Klebendes Gestein verändert den Blick auf Erdbeben
Neue Forschungsergebnisse vom Forschungszentrum Jülich und der Universität des Saarlandes liefern nun eine überraschende Erklärung. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Gestein an den Kontaktstellen nicht in erster Linie verhakt oder aneinander kratzt. Stattdessen bilden sich winzige chemische Bindungen. Das Gestein „klebt“ kurzfristig aneinander. Erst wenn diese Bindungen wieder aufbrechen, entsteht die Reibung, die letztlich eine wichtige Rolle bei Erdbeben spielt.
Diese Erkenntnis verändert den bisherigen Blick auf die Entstehung von Erdbeben erheblich. Denn viele bisherige Modelle gingen davon aus, dass raue Gesteinsoberflächen ineinandergreifen und sich dadurch Spannung aufbaut. Das neue Modell zeigt dagegen, dass chemische Prozesse auf mikroskopischer Ebene möglicherweise entscheidender sind als mechanische Reibung.
Forscher haben entdeckt, dass sich Gesteinsoberflächen bei tektonischen Bewegungen kurzfristig chemisch verbinden. Diese „Kaltverschweißung“ könnte erklären, warum Erdbeben entstehen.
Die neuen Erkenntnisse könnten bestehende Erdbebenmodelle deutlich verbessern und helfen, die Dynamik von Erdbeben genauer zu verstehen.
Die Forschung ist vor allem für Geologen, Physiker, Ingenieure, Katastrophenschützer und Regionen mit erhöhter Erdbebengefahr von Bedeutung.
Warum Erdbeben entstehen
Die Erdoberfläche besteht aus mehreren tektonischen Platten. Diese riesigen Gesteinsplatten bewegen sich ständig. Meist geschieht das extrem langsam. Pro Jahr verschieben sie sich oft nur wenige Millimeter oder Zentimeter.
Dort, wo zwei Platten aufeinandertreffen, entstehen Spannungen. Sobald diese Spannungen zu groß werden, entlädt sich die Energie plötzlich. Die Folge ist ein Erdbeben.
Bislang wurde angenommen, dass die Platten gewissermaßen aneinander hängen bleiben, weil ihre rauen Oberflächen ineinandergreifen. Diese Verhakung sollte dafür sorgen, dass sich Spannung immer weiter aufbaut.
Das klingt zunächst logisch. Gestein ist rau. Unter dem Mikroskop wirkt seine Oberfläche wie eine zerklüftete Landschaft mit Spitzen, Kanten und kleinen Rissen. Lange ging die Wissenschaft deshalb davon aus, dass genau diese Strukturen für die Reibung verantwortlich sind.
Die klassische Theorie der Reibung
Nach dem bisherigen Modell entsteht Reibung vor allem durch drei Prozesse:
- Raue Oberflächen verhaken sich ineinander.
- Beim Gleiten wird Material abgeschliffen.
- Harte Kanten ritzen Spuren in das andere Gestein.
Auf dieser Grundlage wurden viele moderne Erdbebenmodelle entwickelt. Doch offenbar erklären diese Mechanismen nur einen Teil des tatsächlichen Verhaltens.
Klebendes Gestein statt mechanischer Verhakung
Die neue Studie liefert eine andere Erklärung. Demnach entsteht die Reibung zwischen zwei Gesteinsflächen vor allem durch chemische Bindungen.
Die Forscher untersuchten dazu Granit, der auf Granit gleitet. Granit eignet sich besonders gut, weil er ein typisches Gestein in der Erdkruste ist und häufig an geologischen Störungszonen vorkommt.
Die Wissenschaftler kombinierten Laborversuche, theoretische Modelle und Computersimulationen. Dabei zeigte sich, dass sich an winzigen Kontaktpunkten zwischen den Gesteinsflächen chemische Verbindungen bilden.
Diese Bindungen funktionieren ähnlich wie ein Klettverschluss. Wenn sich die Gesteine bewegen, reißen die Bindungen wieder auf. Genau dieses Aufbrechen benötigt Energie. Und diese Energie zeigt sich als Reibung.
Was bedeutet Kaltverschweißung?
Der Begriff Kaltverschweißung klingt zunächst ungewöhnlich. Normalerweise denkt man beim Schweißen an hohe Temperaturen und geschmolzenes Metall.
Bei Gestein läuft der Vorgang anders ab. Wenn zwei Oberflächen sehr dicht aufeinandertreffen, können sich ihre Atome direkt miteinander verbinden. Das geschieht ganz ohne Hitze und deshalb spricht man von Kaltverschweißung.
Im Alltag lässt sich das mit zwei sehr sauberen Glasplatten vergleichen. Legt man sie eng aufeinander, haften sie oft überraschend stark zusammen. Ähnlich verhalten sich auch die Gesteinskörner tief in der Erdkruste.
Wenn Du einen Klettverschluss öffnest, hörst Du das typische Geräusch, weil sich unzählige kleine Verbindungen lösen. Laut den Forschern läuft in tektonischen Störungen etwas Vergleichbares ab. Nur geschieht dies in winzigen Dimensionen tief unter der Erde.
Warum die Größe der Kontaktfläche entscheidend ist
Besonders interessant ist eine weitere Beobachtung der Forscher: Die Größe des Systems beeinflusst, wie sich die chemischen Bindungen lösen.
In kleinen Bereichen brechen die Bindungen relativ gleichmäßig auf. In größeren Gesteinsmassen geschieht dies dagegen unregelmäßig. Einige Bereiche lösen sich früher, andere später.
Dadurch sinkt der sogenannte Losbrechwiderstand. Das bedeutet: Große tektonische Störungen können plötzlich leichter in Bewegung geraten als bisher angenommen.
Dieser Effekt könnte erklären, warum manche Erdbeben scheinbar abrupt beginnen. Die Gesteinsflächen verharren nicht vollständig in Ruhe. Stattdessen entstehen ständig kleine Bewegungen, bis irgendwann ein kritischer Punkt erreicht wird.
Der Losbrechwiderstand einfach erklärt
Der Losbrechwiderstand beschreibt die Kraft, die notwendig ist, um ein ruhendes System in Bewegung zu bringen.
Ein einfaches Beispiel ist ein schwerer Schrank auf dem Boden. Zuerst musst Du relativ stark drücken, bis er sich bewegt. Ist er einmal in Bewegung, reicht deutlich weniger Kraft aus.
Ähnlich verhalten sich auch tektonische Platten. Sobald die chemischen Bindungen an vielen Stellen gleichzeitig brechen, kann die Bewegung plötzlich deutlich schneller werden.
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Computersimulationen bestätigen die Theorie
Die Forscher verließen sich nicht nur auf Experimente im Labor. Zusätzlich nutzten sie komplexe Computersimulationen, um die Vorgänge im Gestein besser zu verstehen.
An der Universität des Saarlandes simulierte das Team um Professor Martin Müser die Bewegungen der Gesteinsoberflächen auf atomarer Ebene. Die Ergebnisse bestätigten die neue Theorie.
Auch in den Simulationen war das Aufbrechen chemischer Bindungen die wichtigste Ursache für Reibung. Daneben spielten allerdings noch weitere Effekte eine Rolle:
- Lokale Verformungen im Gestein
- Kurzfristige Erwärmung an einzelnen Kontaktstellen
- Teilweise Aufschmelzung winziger Bereiche
Diese Prozesse waren bereits aus früheren Modellen bekannt. Neu ist jedoch die Erkenntnis, dass sie offenbar nicht der Hauptgrund für die Reibung sind.
Warum Computersimulationen so wichtig sind
Tief in mehreren Kilometern Tiefe lassen sich die tatsächlichen Vorgänge nur schwer direkt beobachten. Deshalb spielen Simulationen in der Geophysik eine entscheidende Rolle.
Sie ermöglichen es, Bedingungen nachzustellen, die im Labor kaum erreichbar wären. Dazu gehören:
- Extrem hohe Drücke
- Hohe Temperaturen
- Sehr langsame Bewegungen über lange Zeiträume
Durch die Kombination aus Experiment und Simulation gewinnen die Forscher ein deutlich genaueres Bild davon, was unter der Erdoberfläche passiert.
Vom Kriechen zum Erdbeben
Ein besonders wichtiger Begriff in der neuen Forschung ist das sogenannte „Kriechen“, auf Englisch „Creep“.
Dabei bewegen sich tektonische Platten bereits langsam aneinander vorbei, lange bevor ein Erdbeben eintritt. Diese Bewegungen sind extrem gering. Oft handelt es sich nur um Bruchteile eines Nanometers pro Sekunde.
Auf das Jahr gerechnet ergeben sich daraus wenige Millimeter Bewegung. Das klingt wenig, summiert sich aber über Jahre und Jahrzehnte.
Während dieser langsamen Bewegung lösen sich ständig chemische Bindungen und entstehen neu. Zunächst steigt dadurch die Reibung an. Doch ab einer bestimmten Geschwindigkeit ändert sich das Verhalten plötzlich.
Die Bindungen können sich dann nicht mehr schnell genug neu bilden. Gleichzeitig erwärmt sich das Material lokal stärker. Dadurch sinkt die Reibung wieder.
In diesem Moment kippt das System vom langsamen Kriechen in schnelles Gleiten. Genau dieser Übergang könnte der eigentliche Auslöser eines Erdbebens sein.
Erdbeben beginnen möglicherweise nicht erst beim plötzlichen Bruch. Vielmehr könnte der Prozess schon lange vorher mit langsamem „Kriechen“ starten.
Was die neue Theorie für die Erdbebenforschung bedeutet
Die Ergebnisse könnten viele bestehende Modelle verändern. Bisher gingen zahlreiche Modelle davon aus, dass tektonische Platten lange Zeit vollständig blockiert sind und sich dann plötzlich lösen.
Die neue Theorie spricht dagegen dafür, dass die Platten niemals völlig stillstehen. Sie bewegen sich ständig minimal weiter.
Das hat mehrere Folgen:
- Erdbeben könnten früher beginnen als bislang angenommen.
- Die Übergänge zwischen ruhigen und aktiven Phasen sind fließender.
- Langsame Vorzeichen eines Bebens könnten wichtiger sein als bisher gedacht.
Für die Wissenschaft eröffnet das neue Möglichkeiten. Wenn sich das Verhalten der Reibung genauer beschreiben lässt, könnten künftig auch Vorhersagemodelle präziser werden.
Eine zuverlässige Vorhersage von Erdbeben bleibt zwar weiterhin sehr schwierig. Dennoch könnten die neuen Erkenntnisse helfen, Risikoanalysen und Warnsysteme zu verbessern.
Kann man Erdbeben künftig besser vorhersagen?
Ganz so einfach ist es nicht. Auch mit dem neuen Modell lassen sich Erdbeben nicht exakt vorhersagen.
Dafür sind die Prozesse im Erdinneren zu komplex. Neben der Reibung spielen auch andere Faktoren eine Rolle:
- Art des Gesteins
- Temperatur in der Tiefe
- Druckverhältnisse
- Vorhandensein von Wasser oder Gasen
- Geometrie der Störungszonen
Die neue Theorie liefert jedoch einen zusätzlichen Baustein. Sie erklärt, warum manche Störungen lange ruhig bleiben und dann plötzlich aktiv werden.
Welche Regionen besonders betroffen sein könnten
Die Erkenntnisse sind vor allem für Regionen mit hoher Erdbebengefahr relevant. Dazu gehören etwa:
- Japan
- Kalifornien
- Türkei
- Chile
- Indonesien
Aber auch in Deutschland gibt es Gebiete, in denen Erdbeben auftreten können. Besonders bekannt sind:
- Die Eifel
- Der Oberrheingraben
- Das Vogtland
- Die Schwäbische Alb
In diesen Regionen sind die Beben meist deutlich schwächer als in anderen Teilen der Welt. Dennoch könnten die neuen Erkenntnisse auch hier helfen, geologische Prozesse besser zu verstehen.
Rechtliche und gesellschaftliche Einordnung
Die Forschung selbst hat zunächst keine direkten rechtlichen Folgen. Sie könnte jedoch langfristig Einfluss auf Bauvorschriften und Katastrophenschutz haben.
Wenn neue Modelle zeigen, dass bestimmte Regionen stärker gefährdet sind als bisher angenommen, könnten strengere Sicherheitsstandards notwendig werden.
Dazu gehören beispielsweise:
- Erdbebensichere Bauweisen
- Neue Vorgaben für Infrastruktur
- Bessere Überwachung geologischer Störungszonen
Gerade bei großen Projekten wie Tunneln, Kraftwerken oder Staudämmen spielt die Einschätzung des Erdbebenrisikos eine wichtige Rolle.
Wo liegen die Grenzen der Forschung?
So spannend die Ergebnisse auch sind: Noch handelt es sich um Grundlagenforschung.
Die Experimente wurden mit Granit unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. In der Realität sind tektonische Störungen deutlich komplexer. Dort treffen oft verschiedene Gesteinsarten aufeinander. Außerdem wirken zusätzlich Wasser, Druckschwankungen und chemische Veränderungen.
Die neue Theorie muss deshalb in weiteren Studien überprüft werden.
Medizinische Grenzen gibt es in diesem Zusammenhang natürlich nicht. Dennoch gibt es gesellschaftliche Grenzen der Interpretation. Die Forschung sollte nicht zu falschen Erwartungen führen. Auch mit verbesserten Modellen bleibt eine exakte Vorhersage von Erdbeben derzeit unmöglich.
Bo Persson und die Bedeutung seiner Arbeit
Eine zentrale Rolle bei der neuen Forschung spielt der Physiker Bo Persson. Er gilt als einer der wichtigsten Experten für Reibung und Kontaktmechanik weltweit.
Seine Arbeiten haben nicht nur die Erdbebenforschung beeinflusst, sondern auch viele andere Bereiche.
Persson untersuchte unter anderem:
- Die Haftung von Autoreifen auf Straßen
- Die Reibung bei Touchscreens
- Das Verhalten von Gletschern
- Technische Oberflächen in Maschinen
Die aktuelle Studie zeigt erneut, dass grundlegende physikalische Erkenntnisse oft weit über ein einzelnes Forschungsgebiet hinausgehen.
Zusammenfassung: Warum klebendes Gestein die Erdbebenforschung verändert
Die neue Studie liefert einen überraschenden Blick auf die Prozesse tief in der Erdkruste. Statt mechanischer Verhakung scheinen vor allem chemische Bindungen zwischen Gesteinsoberflächen die Reibung zu bestimmen.
Diese Bindungen entstehen und lösen sich ständig. Wird ein kritischer Punkt erreicht, geht das System vom langsamen Kriechen in schnelles Gleiten über. Genau dieser Übergang könnte Erdbeben auslösen.
Für die Forschung bedeutet das einen möglichen Paradigmenwechsel. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, tektonische Prozesse realistischer zu beschreiben und langfristig bessere Modelle für Erdbeben zu entwickeln.
Auch wenn exakte Vorhersagen weiterhin nicht möglich sind, zeigt die Studie deutlich: Die Erde verhält sich komplizierter, aber auch faszinierender, als bisher angenommen.
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://www.fz-juelich.de/de/aktuelles/news/pressemitteilungen/2026/klebendes-gestein und https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae4b66
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Autor und Bild: Chad Gregor Paul Thiele
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