Erdbeben

Begriff und Bedeutung

Ein Erdbeben ist eine messbare Erschütterung des Erdkörpers. Meist entsteht es als tektonisches Beben: An Bruchfugen der Lithosphäre verschieben sich tektonische Platten. Seltener sind vulkanische Aktivität, Einsturz oder Absenkung unterirdischer Hohlräume, große Erdrutsche und Bergstürze sowie Sprengungen die Ursache. Liegt der Herd unter dem Meeresboden, heißt das Beben Seebeben oder unterseeisches Erdbeben. Es unterscheidet sich nicht grundsätzlich in der Entstehung, kann aber zum Beispiel einen Tsunami auslösen.

Die meisten aufgezeichneten Beben sind für Menschen nicht wahrnehmbar. Starke Beben können Gebäude und Verkehrsinfrastruktur zerstören, Tsunamis, Lawinen, Steinschläge, Bergstürze und Erdrutsche auslösen, Menschen töten und die Erdoberfläche verändern. Deshalb zählen sie zu den Naturkatastrophen. Die Wissenschaft von Erdbeben heißt Seismologie. Nach einer Analyse des Karlsruher Instituts für Technologie starben weltweit von 1900 bis 2015 insgesamt 2,23 Millionen Menschen durch Erdbeben.

Erdbeben treten häufig nicht einzeln auf. Erschütterungen vor einem stärkeren Hauptbeben heißen Vorbeben, danach Nachbeben. Häufen sich Beben über längere Zeit in einem begrenzten Gebiet, spricht man von einem Erdbebenschwarm oder Schwarmbeben. Solche Schwärme kommen besonders in vulkanisch aktiven Regionen vor; in Deutschland gelegentlich im Vogtland und am Hochstaufen.

Spannungen im Erdinneren und weitere Auslöser

Die Plattentektonik ist die Bewegung der Lithosphärenplatten von der Erdkruste bis in den lithosphärischen Mantel. An Plattengrenzen können Platten auseinanderdriften (Spreizungszone), aufeinander zu wandern (Subduktions- oder Kollisionszone) oder seitlich aneinander vorbeigleiten (Transformverwerfung). Wenn sich die Platten verhaken und verkanten, bauen sich Spannungen im Gestein auf. Überschreitet die Spannung die Scherfestigkeit, bewegen sich Teile der Erdkruste ruckartig: Ein tektonisches Erdbeben entsteht. Dabei kann mehr als das Hundertfache der Energie einer Wasserstoffbombe freiwerden. Selten geschieht ein Bruch auch im Inneren einer Platte, wenn dort eine Schwächezone vorhanden ist.

Mit zunehmender Tiefe wird Gestein wegen der steigenden Temperatur leichter verformbar und ist schon in der unteren Erdkruste meist nicht mehr spröde genug zum Brechen. Deshalb liegen die meisten Herde in der oberen Erdkruste, wenige Kilometer tief. Tiefherdbeben können jedoch bis in 700 km Tiefe auftreten, vor allem an Subduktionszonen. Dort taucht die dichtere Platte unter die weniger dichte in den Mantel ab. Der abtauchende Plattenteil, der slab, bleibt relativ lange bruchfähig. Seine Hypozentren bilden die Wadati-Benioff-Zone und zeigen seine Lage in der Tiefe. Als ein Auslöser gelten Volumenänderungen des Slab-Gesteins durch Mineralumwandlungen unter Manteldruck und -temperatur. Aufsteigendes Magma verursacht in Vulkanzonen meist eher schwache Beben.

Eine plötzliche vertikale Verlagerung großer Teile des Ozeanbodens kann einen Tsunami erzeugen. Auch ozeanische Vulkanausbrüche und unterseeische Erdrutsche können ihn auslösen. Die Wellen erreichen bis zu 800 km/h, sind auf offenem Meer kaum bemerkbar und steilen sich im flachen Wasser auf; am Ufer können sie im Extremfall bis zu 100 m hoch werden. Nach dem Erdbeben im Indischen Ozean am 26. Dezember 2004, bei dem etwa 230.000 Menschen starben, wurde dort ein Frühwarnsystem aufgebaut. Im Pazifik besteht das Pacific Tsunami Warning Center.

Frostbeben sind sehr flachgründig und nur lokal spürbar. Gefrierendes Wasser dehnt sich im Boden oder Gestein aus, erzeugt Spannungen und verursacht kleine Erschütterungen sowie grollende Geräusche. Sie treten meist auf, wenn zu Beginn einer strengen Frostperiode die Temperatur schnell weit unter den Gefrierpunkt fällt.

Auch menschliche Aktivitäten können Beben auslösen oder begünstigen. Dazu gehören aktive Seismik, Atomwaffentests, das Aufstauen großer Wassermengen, die Förderung von Erdöl und Erdgas sowie sehr tiefe Geothermiebohrungen. Das Wenchuan-Erdbeben 2008 in China mit Magnitude 7,9 und rund 90.000 Todesopfern wird als möglicher Kandidat für das bislang stärkste durch Stauseen ausgelöste Beben diskutiert. Beim Einsturz bergbaulich verursachter Hohlräume, dem Gebirgsschlag, liegen die Magnituden fast immer im Bereich von Mikro- oder Ultramikrobeben.

Wellen, Herd und Bruchformen

Erdbeben erzeugen Wellen, die sich durch und über die ganze Erde ausbreiten. Seismographen oder Seismometer zeichnen sie als Seismogramme auf. Besonders die Oberflächenwellen, die sich an der Erdoberfläche ausbreiten und eine elliptische Bodenbewegung erzeugen, verursachen Spalten sowie Schäden an Gebäuden und Verkehrswegen. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines Bebens beträgt normalerweise etwa 3,5 km/s. In seltenen überschallschnellen Beben wurde etwa 8 km/s gemessen: Der Riss breitet sich dann schneller als die seismische Welle aus. Bis 2014 waren erst 6 solcher Beben aufgezeichnet.

Aus Stärke und Laufzeit der Wellen an weltweit verteilten Observatorien wird das Hypozentrum bestimmt, also der Ort, an dem das Beben beginnt. Der Punkt der Erdoberfläche direkt darüber heißt Epizentrum, der Beginn des Bruchs Herdzeit. Die gesamte Bruchfläche ist die Herdfläche. Sie wird meist nicht an der Oberfläche sichtbar, kann bei einem großen, flachen Beben aber bis dorthin reichen und einen deutlichen Versatz erzeugen. Die Herdflächenlösung rekonstruiert aus Ersteinsätzen an Messstationen den Herdvorgang und damit die Abstrahlcharakteristik: wie viel Energie in welche Richtung abgestrahlt wird. Die Ortsbestimmung ist bei langperiodischen Wellen ungenauer; gerade schwere Beben geben viel Energie in diesem Bereich ab, weshalb ihre Herdtiefe besonders ungenau sein kann.

Drei Grundformen spiegeln die Arten der Plattengrenzen wider. Bei Zugspannung in Spreizungszonen entsteht eine Abschiebung (normal fault): Der Block oberhalb der Bruchfläche wird nach unten versetzt. Bei Kompression in Kollisionszonen entsteht eine Auf- oder Überschiebung (reverse fault beziehungsweise thrust fault): Der obere Block bewegt sich nach oben. In Subduktionszonen können großflächig verhakte Platten besonders schwere Megathrust-Erdbeben auslösen. Bei einer Blattverschiebung (strike-slip fault) an Transformverwerfungen verschieben sich die Platten seitlich. Oft treten Mischformen als Schrägauf- oder Schrägabschiebung (oblique fault) auf.

Die Lage und Bewegung einer Herdfläche beschreiben drei Winkel: Φ ist das Streichen von 0° bis 360°, δ das Fallen beziehungsweise die Neigung von 0° bis 90° und λ die Versatzrichtung in der Bruchfläche von 0° bis 360°. Für eine senkrechte Bruchfläche gilt δ = 90°. Wird das Hangende exakt nach oben bewegt, gilt λ = 90°; bei senkrechter Herdfläche bedeutet eine linkslaterale Verschiebung λ = 0°, eine rechtslaterale λ = 180°.

Abfolge und Messung der Stärke

Ein Hauptbeben ist die größte Erschütterung in einem Gebiet. Es setzt gewöhnlich nicht die gesamte im Herdvolumen gespeicherte Deformationsenergie frei, sondern verlagert Spannungen an benachbarte Punkte. Vorbeben sind schwächere Erschütterungen davor, Nachbeben treten danach im gleichen Gebiet auf. Nachbeben können über Wochen bis mehrere Monate zu Hunderten oder Tausenden auftreten, ihre Zahl sinkt meist rasch. Nach der empirischen Beziehung von Ōmori Fusakichi gilt für ihre Zahl N zur Zeit t nach dem Hauptbeben: N = C/(K + t)^P. K, C und P sind von der Größe des Hauptbebens abhängig; P liegt zwischen 1 und 4. Ein zweites ähnlich starkes Beben kann jedoch schon Stunden oder Tage später folgen. Das gesamte seismische Moment der Nachbeben beträgt gewöhnlich höchstens 10 % des Moments des Hauptbebens.

Die Intensität beschreibt beobachtete Auswirkungen auf Menschen, Tiere, Gebäude und Natur. Die 1902 eingeführte zwölfteilige Mercalliskala beruht auf fühl- und hörbaren Beobachtungen sowie Schadenswirkungen und wurde 1964 zur MSK-Skala, später zur EMS-Skala weiterentwickelt. Intensitäten werden weiterhin über Fragebögen ermittelt und als Isoseistenkarten dargestellt; Isoseisten verbinden Orte gleicher Intensität. Diese Methode funktioniert nur in relativ dicht besiedelten Gebieten.

Die Magnitude wird aus physikalischen Messungen der Wellen bestimmt und erlaubt den Vergleich von Beben. Heute ist die Momenten-Magnituden-Skala Mw unter Wissenschaftlern am gebräuchlichsten. Sie ist logarithmisch, endet bei Mw 10,6 und eine Erhöhung um eine Magnitude bedeutet eine 32-fach höhere Energiefreisetzung. Die oft zitierte Richterskala, auch Lokalbebenmagnitude, wurde in den 1930er Jahren von Charles Francis Richter und Beno Gutenberg eingeführt. Sie war ursprünglich für Kalifornien bestimmt und ist bei Entfernungen über 1000 km sowie bei Beben ab etwa Magnitude 6 nur eingeschränkt verwendbar.

Vorhersage und langsame Beben

Eine zeitlich und räumlich genaue Erdbebenvorhersage ist nach heutigem Forschungsstand nicht möglich. Zwar sind die maßgebenden Faktoren qualitativ weitgehend bekannt, ihr komplexes Zusammenspiel lässt sich aber nicht genau genug berechnen. Möglich sind nur Aussagen über die Wahrscheinlichkeit eines Bebens in einer Region.

Als mögliche Vorläufer gelten Änderungen der seismischen Geschwindigkeit, der Neigung des Erdbodens oder elektromagnetischer Eigenschaften von Gestein sowie statistische Beobachtungen wie seismische Ruhe. Vorbeben können starke Beben ankündigen, müssen aber nicht zu einem Hauptbeben führen; ein starkes Beben kann auch ohne sie auftreten. Ungewöhnliches Tierverhalten erlaubte beim Haicheng-Erdbeben im Februar 1975 eine rechtzeitige Warnung, wurde aber bei anderen Beben nicht beobachtet. Eine Meta-Analyse mit 180 Publikationen, mehr als 700 Beobachtungen zu über 130 Arten und 160 Beben fand eine auffällige Übereinstimmung mit Vorbeben. Viele Beobachtungen könnten daher dadurch erklärt werden, dass Tiere Vorbeben wahrnehmen. Es gibt keine Hinweise, dass Tiere verlässlich warnen können. Vorläufer sind sehr unterschiedlich, und eine lückenlose Messung wäre finanziell und logistisch nicht realisierbar.

Elastogravitationssignale sind geringe Schwankungen des Erdgravitationsfelds durch Massenverschiebungen bei starken Beben. Laut einer Publikation von 2017 breiten sie sich mit Lichtgeschwindigkeit durch die Erde aus und damit schneller als P-Wellen, die höchstens 10 km/s erreichen. Sie könnten die Magnitude nahe am Herd genauer bestimmen und die Frühwarnung verbessern.

Unkonventionelle oder langsame Beben haben Quellen an der Erdoberfläche und senden langperiodische Oberflächenwellen mit Periodendauern von etwa 20 bis 150 s aus. Spezielle Algorithmen filtern diese aus globalen oder kontinentalen Aufzeichnungen. Dazu zählen Gletscherbeben durch Kalbung an großen polaren Gletschern und Sturmbeben: Bei starken Stürmen können langperiodische Meereswellen mit Untiefen an der Schelfkante wechselwirken.

Starke Beben und Schäden

Die zehn stärksten seit 1900 gemessenen Beben lagen bis auf eine Ausnahme an der Subduktionszone des Pazifischen Feuerrings. Die Werte der Rangliste beruhen, soweit nicht anders angegeben, auf der Momenten-Magnitude Mw; unterschiedliche Magnitudenskalen sind nicht direkt vergleichbar. Das stärkste genannte Beben war das Erdbeben von Valdivia in Chile am 22. Mai 1960 mit Mw 9,6 und etwa 5.000 Toten. Es folgten das Karfreitagsbeben 1964 in Alaska mit Mw 9,3, 131 Toten und einem Tsunami von etwa 67 m Höhe sowie das Erdbeben im Indischen Ozean am 26. Dezember 2004 mit Mw 9,1. Beben und Tsunami töteten dort etwa 230.000 Menschen und machten über 1,7 Millionen Küstenbewohner obdachlos.

Das Tōhoku-Erdbeben am 11. März 2011 östlich von Honshū hatte Mw 9,0. Es forderte 18.500 Tote, machte 450.000 Menschen obdachlos, verursachte etwa 296 Milliarden Euro direkten Schaden und führte durch den Tsunami zur Fukushima-Katastrophe im Atomkraftwerk Fukushima Daiichi. Das Assam-Erdbeben vom 15. August 1950 an der Grenze China–Indien erreichte Mw 8,6, forderte 1.526 Tote und war das stärkste registrierte Erdbeben an Land.

Schäden hängen von Stärke und Dauer des Bebens, Besiedlungsdichte sowie Anzahl und Größe der Bauwerke ab. Entscheidend ist außerdem deren Erdbebensicherheit. Die europäische Norm EC 8 (Eurocode 8), in Deutschland DIN EN 1998-1, legt für Holz, Stahl, Stahlbeton, Verbundbauweise und Mauerwerk Bemessungskriterien für Erdbebeneinwirkungen fest.