21.07.14

Plattentektonik Die Unglücksboten aus dem Höllenschlund der Erde

Von Karl Urban

Tektonische Verschiebungen und aufsteigendes Magma können verheerende Folgen haben. Um diese Prozesse im Erdinneren zu verstehen und vorherzusagen, zählt für Forscher jedes noch so winzige Indiz.

"Genau weiß niemand, was dort unten passiert", sagt Karin Bräuer. Im Grenzgebiet zwischen Tschechien und dem sächsischen Vogtland bebt immer wieder die Erde. Nicht besonders stark, aber dafür regelmäßig, vielfach hintereinander, wochenlang. Für Schwarmbeben ist die Region unter Geoforschern wie Karin Bräuer bekannt.

Nur selten kommt es wie im vergangenen Mai zu einem einzelnen, kräftigen Stoß. Warum sich die Erde hier so merkwürdig verhält, das ist das große Rätsel. Für Forscher sind die Schwarmbeben in der Vogtlandregion etwas Besonderes, eine geologische Ausnahme.

Das Rucken in der Tiefe deutet darauf hin, dass es dort irgendwo eine vulkanische Zone gibt. Aber das ist nur eine Annahme. Die Geochemikerin Karin Bräuer vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Halle untersucht deshalb seit zwei Jahrzehnten winzige Gasbläschen, die aus der Tiefe aufsteigen und die möglicherweise mitten aus einer Magmakammer stammen: "Die Kammer konnten wir bis heute nicht wirklich nachweisen", sagt der Geophysiker Ulrich Wegler von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover, "wir denken aber, dass sie dort sein müsste."

Wie wenig man über das Innere der Erde heute weiß, wurde erst vor wenigen Wochen wieder einmal deutlich. Im März beschrieben Geologen einen hochstabilen Diamanten, der aus dem Erdmantel in über 400 Kilometer Tiefe stammt. Er ist wohl mit Vulkanen aus sonst unerreichbaren Tiefen an die Erdoberfläche gelangt. Das Mineral Ringwoodit fand sich in dem Diamanten – eine Überraschung.

Denn Ringwoodit enthält ein Hydroxi, und das deutet auf Wasser hin. Mitte Juni bestätigte ein zweites Wissenschaftlerteam durch Laborversuche und die Analyse Tausender Erdbeben, dass im Erdmantel unerwartet viel Wasser im Gestein gespeichert ist. Es könnte also tatsächlich sein, dass sich dort ein Ozean verbirgt, der mehr Wasser enthält, als in allen überirdischen Meeren zusammen – ein Indiz mehr, das Geologen hilft, den ständigen Wandel im Erdinnern zu verstehen.

Theorie der Plattentektonik wurde anfangs verlacht

Wissen wie dieses erlaubt es vielleicht, in Zukunft Methoden zu finden, mit denen sich Erdbeben und Vulkanausbrüche besser vorhersehen lassen. Das ist das Ziel. Der Anfang der modernen Geoforschung liegt im Jahr 1915 und ist mit dem Namen Alfred Wegener verknüpft. Der deutsche Geograf behauptete damals, die Kontinente würden auf Schollen dahindriften. Seine Kollegen lachten ihn dafür aus. Erst 30 Jahre später – Wegener war bereits seit 15 Jahren tot – verging ihnen das Lachen.

Denn der Verspottete hatte recht gehabt mit seiner Theorie der Plattentektonik, das bestätigten Messungen an Tiefseevulkanen. Dort unten bildet sich tatsächlich neue Erdkruste, die anderswo in der Tiefe wieder verschwinden muss. Heute vergleichen Geologen die Kontinente und die feste Kruste unter den Ozeanen mit dem Autoverkehr zur Rushhour. Es gibt Regionen, an denen die Schichten auseinandertreiben und solche, wo sie mit massiver Kraft gegeneinander prallen.

Die dünne ozeanische Kruste taucht an diesen sogenannten Subduktionszonen unter einen Kontinent ab, darüber formten sich im Laufe der Erdgeschichte riesige Gebirge. In Asien etwa prallt die indische Kontinentalplatte gegen die asiatische – mit einer Geschwindigkeit von fünf Zentimetern pro Jahr. Dadurch wächst das Himalajagebirge jedes Jahr um einige Millimeter. Alfred Wegener schenkte seinen Forscherkollegen nicht nur dieses neue Bild der Erde, er hinterließ ihnen auch ein bis heute ungelöstes Rätsel.

Was bringt Hunderte bis Tausende Kilometer breite und Dutzende Kilometer dicke Gesteinsblöcke dazu, sich auf einer zähflüssigen Schicht unterhalb der Erdkruste gegeneinander zu verschieben? Welche Kräfte wirken da? Bislang weiß das niemand. "Im Detail fehlt uns noch immer das Verständnis", sagt Martin Meschede, der den Lehrstuhl für Regionale- und Strukturgeologie an der Universität Greifswald innehat. Den Antrieb der Plattentektonik zu finden ist schwierig, weil die Kräfte im Verborgenen wirken.

Unter Europa liegt eine Magmakammer

Tausende Kilometer tief im Erdmantel wälzen sich gewaltige Wirbel aus festem Gestein, die beständig Hitze aus dem Erdinnern nach oben bringen. "Die Erdkruste ist dagegen ein guter Isolator", sagt Meschede. An den mittelozeanischen Rücken ist die Erdkruste dünn genug. Material aus dem Erdmantel drängt nach oben und schiebt die Platten auseinander.

An den Subduktionszonen versinkt der Ozeanboden dagegen in der Tiefe. Die Kruste ist hier zu schwer geworden, die Platten werden hinabgezogen. "Die Schwerkraft spielt als Antrieb sicher die entscheidende Rolle", sagt Martin Meschede. Mit wachsendem Druck und steigender Temperatur entstehen Minerale von immer größerer Dichte, die am Rand der Platte zerren.

Manchmal haben Geowissenschaftler einfach Glück bei ihrer Suche nach Indizien. Das war auch bei den Schwarmbeben am Rande des Vogtlands so. Auf der Suche nach einer Erklärung für das kontinuierliche Stakkato der dortigen Beben war Karin Bräuer mit ihren Kollegen im Jahr 2000 in der Region unterwegs und wollte Proben der aufsteigenden Gasbläschen nehmen, als ein wochenlanges Schwarmbeben begann.

Die Gase scheinen tief aus dem Erdmantel zu stammen und sind teilweise magmatischer Natur. Der Verdacht, dass unter dem stabilen Mitteleuropa eine Magmakammer liegen muss, erhärtete sich.

Doch was genau es mit der ominösen Magmakammer auf sich hat, konnten die Wissenschaftler bislang nicht genauer untersuchen. "Man könnte aufwendige seismische Experimente machen, um mehr darüber herauszufinden", sagt Geophysiker Ulrich Wegler. "So etwas kann sich aber gerade nur die Ölindustrie leisten."

Karin Bräuer wird wohl auch zukünftig nachsehen, was für Gase aus dem Erdinnern hervorsprudeln. Bei dem aktuellen, einzelnen Erdstoß aber fehlten der Geochemikerin Zeit und Mittel, nach neuen Bläschen zu sehen, die auch jetzt wieder vermehrt aufsteigen und Geschichten aus dem Erdinnern erzählen könnten.

Häufig haben Forscher nicht einmal Gasbläschen, die sie analysieren können, sondern nur die Aufzeichnungen von Erdstößen. Jedes schwere Erdbeben erzeugt Wellen, die sich von ihrem Entstehungsort in alle Richtungen durch den Erdkörper ausbreiten. Sie durchqueren tiefe Erdschichten, bevor Seismometer sie stark gedämpft weltweit registrieren.

An besonderen Schichten wie an den flüssigen Teilen des Erdkerns verändern sich diese Wellen oder werden zurückgeworfen. Dadurch wissen die Seismologen grob, wie das Erdinnere aufgebaut ist.

Bebenvorhersagen sind bisher fast unmöglich

Bewohner bebengefährdeter Regionen wüssten aber gern etwas anderes: Wann genau wird der Boden unter meinem Haus das nächste Mal schwanken? Droht ein lebensgefährliches Beben? Die Realität zeigt, wie schwierig es bis heute ist, Erdstöße vorherzusagen.

Anfang der 1970er-Jahre gab etwa die Regierung Chinas vor, anhand von Vorbeben und anderen Warnsignalen die nächsten großen Beben zu prognostizieren. 1976 traf dann eines der schwersten Beben seiner Geschichte das Land. Ohne Prognose, unvorbereitet.

Einer Bebenvorhersage am nächsten kamen Seismologen in Kalifornien, einer der erdbebengefährdetsten Regionen der Welt. Längs durch den Bundesstaat verläuft die San-Andreas-Verwerfung, bei der sich zwei Platten seitlich aneinander vorbeidrücken.

Auf langen Abschnitten im Norden und im Süden kam es in den vergangenen Jahrhunderten deshalb immer wieder zu schweren Erschütterungen, wenn eine Verhakung der Platten sich löste und sie sich sprunghaft weiterbewegten. Zwischen den gefährdeten Zonen liegt dagegen ein ruhiges Gebiet, in dem die Erde entweder gar nicht bebt, oder – um das Dorf Parkfield – recht regelmäßig im Abstand von rund 22 Jahren.

Im Jahr 1985 wagte die Nationale Kommission für die Untersuchung einer Erdbebenvorhersage deshalb einen Blick in die Glaskugel. Ein Dutzend US-Wissenschaftler einigte sich darauf, dass es in den kommenden zwölf Jahren mit hoher Wahrscheinlichkeit in Parkfield ein Beben der Stärke 6 geben werde. Sie legten ein dichtes Messnetzwerk aus, um alle möglichen Warnsignale aufzuzeichnen: schwache Vorbeben, austretendes Radongas und schwefliges Wasser aus dem Erdinnern, und elektrische und magnetische Felder.

Auf der Grundlage dieser Daten kündigten die Seismologen im Oktober 1992 und November 1993 ein Beben in den nächsten 72 Stunden an. Doch der Boden rührte sich nicht. Erst am 28. September 2004, gut elf Jahre verspätet, kam der große Erdstoß.

Für John Dvorak war das Experiment in Parkfield trotzdem fast eine erfolgreiche Bebenvorhersage: "Sie machte korrekte Angaben darüber, wo das Beben stattfindet und wie stark es wird", schreibt der ehemalige Mitarbeiter vom Geologischen Dienst der USA in einem Buch zur San-Andreas-Verwerfung. "Nur das alles entscheidende Wann wurde verfehlt."

Die Gesellschaft erwartet zuviel von der Forschung

Ohne das Wann aber ist jede Prognose so hilfreich wie ein müder Wetterfrosch. Als etwa am 11. März 2011 vor Japan der Seeboden mit einer Stärke von 9,0 bebte und einen verheerenden Tsunami auslöste, waren japanische Seismologen völlig überrascht. An dieser Stelle hatte niemand einen so schweren Erdstoß für möglich gehalten. Die freigesetzte Energie, die 30.000 Atombomben entsprach, musste von einem gewaltigen Mechanismus im Erdinnern ausgelöst worden sein.

Hinterher war klar, dass Erdbeben und Tsunami dadurch ausgelöst worden waren, dass die pazifische Platte vor Japan in die Tiefe ging, während die darüber liegende Erdkruste der japanischen Platte immer wieder hochschnellte. Seismologen mussten ihre Vorstellungen vom Bau des tiefen Gesteins vor der japanischen Inselkette gründlich überarbeiten. Es gibt weltweit auch Regionen, an denen Seismologen ein rekordverdächtig schweres Beben erwarten. Doch zeitlich eingrenzen, wann das passieren wird, können sie nicht.

Denn erst seit kaum mehr als hundert Jahren messen Forscher, wie sich der Boden bewegt. Über ältere Verwüstungen existieren nur sporadische Aufzeichnungen. Gefährdete Gebiete sind etwa die südliche San-Andreas-Verwerfung um Los Angeles, wo seit mehr als 300 Jahren kein besonders schweres Beben stattgefunden hat. An dieser Stelle wuchs seither eine Metropole von 15 Millionen Einwohnern. Auch unter Vancouver im kanadischen Westen liegt eine Verwerfung, die ein plötzliches starkes Beben auslösen könnte.

In einem Fall wurde es Geowissenschaftlern sogar zum Verhängnis, dass sie nicht in der Lage waren, ein Beben vorherzusagen. Weil sie den schweren Erdstoß im italienischen L'Aquila im April 2009, der auf viele kleine Beben folgte und bei dem 300 Menschen starben und Tausende obdachlos wurden, nicht vorhergesehen hatten, wurden sie zu sechs Jahren Haft verurteilt. 5000 Forscher weltweit beschwerten sich über das Urteil, der Prozess sei unfair gewesen, die Seismologie nicht so exakt durchführbar, wie die Gesellschaft das erwarte. Doch die Richter blieben bei ihrem Urteil.

Stille Vulkane sind besonders unberechenbar

Nicht nur die Erdbebenprognose bereitet Geologen Kopfzerbrechen. Auch andere Naturkatastrophen lassen sich kaum vorhersehen. Vulkanausbrüche beispielsweise. Weltweit gelten über 1.500 Feuerberge als aktiv. Der Begriff trügt allerdings: Als aktiv gilt jeder Schlot, der einmal in den vergangenen 10.000 Jahren ausgebrochen ist.

Wie oft es im Einzelfall zu Eruptionen kommt, ist extrem unterschiedlich. Während etwa aus dem Stromboli auf einer Insel vor Sizilien täglich einige Lavafontänen in die Höhe schießen, brüten die meisten Feuerberge vor sich hin. Gerade jene stille Zeitgenossen sind für Vulkanologen unangenehm, weil sie völlig unberechenbar sind.

Einer dieser unauffällig schlummernden Vulkane ist der Sinabung auf der indonesischen Insel Sumatra. Anhand erstarrter Lavafelder hatten Geologen abgeleitet, dass der Berg zuletzt im Jahr 1600 ausgebrochen war. Im August 2010 schoss dann eine Aschewolke in die Höhe, die sich einen Monat später deutlich stärker wiederholte. Sie bedeckte die Umgebung mit einer Ascheschicht und zwang die indonesische Regierung, 18.000 Menschen in einem Umkreis von sechs Kilometern um den Vulkan zu evakuieren.

Für Surono, einen der führenden Vulkanologen Indonesiens vom staatlichen Katastrophenschutz, war der Ausbruch unangenehm. Der Sinabung hatte fast 400 Jahre lang geschlafen, die Behörden waren kaum darauf eingestellt. Und dass der Vulkan gleich zweimal hintereinander ausbrechen würde, hatte niemand erwartet. "Die Überwachung hatte keine Priorität", erklärte Surono. Indonesiens nationale Agentur für Vulkanologie hatte den Vulkan nur der zweitgefährlichsten Kategorie B zugeschlagen.

Ein Jahr später sah das schon anders aus: Die jüngste Ausbruchsserie dauerte über sieben Monate und endete erst im vergangenen Februar. Nun überwachen Vulkanologen den Berg ausreichend gut, um die Vorzeichen eines Ausbruchs zumindest wahrzunehmen.

Warum viele Vulkane bis heute derart unberechenbar bleiben, hängt mit dem vielseitigen Magma zusammen: Mancherorts ist es flüssig wie Wasser und spritzt einfach hervor. Anderswo bleibt es zäh wie Honig, verstopft den Vulkanschlot über Jahrhunderte oder Jahrtausende, bis der Berggipfel schließlich explodiert.

Supervulkane befördern 20-mal soviel Lava hervor wie andere

Der Grund für solche Unterschiede liegt tief in der Erdkruste, wo von unten Wärme aufsteigt und das bestehende Gestein schmilzt. Wie beim Kochen einer Soße hängt die Konsistenz des Magmas am Ende von den Zutaten ab: Sind sie quarzarm, können die Lavafontänen von Touristen besucht werden. Sind die Gesteine quarzreich, schmelzen sie honigartig, verstopfen ihre Schlote und bilden dadurch gefährliche Zeitbomben.

Forscher und die Bewohner der Berghänge beobachten deshalb vor allem den zweiten Typ der Vulkane gebannt: Zu ihnen gehören der Vesuv mit der Großstadt Neapel zu Füßen und der philippinische Pinatubo, der 1991 den weltweit größten Ausbruch in fast einhundert Jahren hervorrief. Die Vulkanologen versuchen, mit Satelliten selbst Millimeter große Hebungen dieser schlummernden Riesen aufzuzeichnen, die von aufsteigendem Magma zeugen können.

Sie messen die Zusammensetzung hervortretender Gase und des Grundwassers, prüfen, wie viel Hitze die Berge abgeben und ob ihre Flanken ins Rutschen geraten. Wie bei den Erdbeben sind solche Vorzeichen aber bis heute nicht mehr als ein schwaches Warnsignal: Der Ausbruch könnten direkt bevorstehen – oder erst in tausend Jahren stattfinden.

Unberechenbar sind auch die schwersten Eruptionen, die auf der Erde stattfinden können. Supervulkane brechen so selten aus, dass sie in der Menschheitsgeschichte kein einziges Mal aktiv waren. Anhand von uraltem Vulkangestein wissen Geologen aber, dass Supervulkane fast 20-mal mehr Lava emporfördern können, als es der Tambora im Jahr 1815 tat: Er markiert die größte Eruption in historischer Zeit, die eine indonesische Insel komplett entlaubte und weltweit für Hungersnöte sorgte.

Zwischen den großen Ausbrüchen gibt es kleinere

Die Folgen eines ausbrechenden Supervulkans wären noch dramatischer: Eine Studie von Geneviève Robert von der University of Missouri zeigte kürzlich, dass besondere schnelle Ströme aus Asche und Gasen vom Vulkan wegströmen würden. Solche sogenannten pyroklastischen Ströme gibt es zwar auch bei gewöhnlichen Vulkanen.

Mit Modellrechnungen fanden die Forscher aber eine Besonderheit der Supervulkane: Die Asche ist bei ihnen so heiß, dass sie sich beim Kontakt mit dem Boden wieder verflüssigt und als Lava langsamer weiterfließen kann.

Dadurch könnte die Landschaft noch hundert Kilometer entfernt durch die heiße Lava verwüstet werden. Gleichzeitig wäre die etwas kühlere Asche in der Lage, einen ganzen Kontinent zu bedecken. Der wohl bestuntersuchte Supervulkan ist jener unter dem Yellowstone-Nationalpark im Nordwesten der USA.

Sedimentschichten belegen immerhin drei schwere Ausbrüche, die in Abständen von 730.000 Jahren stattgefunden haben. Die letzte Eruption ist bereits über 640.000 Jahre her – die nächste vielleicht überfällig, zumal sich Magma in der Tiefe nachweislich auf und ab bewegt.

Die meisten Forscher sorgen sich aber weniger um diesen großen Knall, der problemlos noch Jahrtausende vor uns liegen könnte: Auch zwischen den aktivsten Phasen war der Yellowstone nämlich nie völlig ruhig. Gut 50 kleinere Ausbrüche gab es laut den Vulkanologen zwischendurch, die ihrerseits so schwer waren wie jene des philippinische Pinatubo im Jahr 1991 – mit weiten regionalen Folgen.

Geowissenschaftler wissen heute, dass die Welt der tektonischen Platten, von flüssigem Gestein und Erdbeben mit der Oberfläche eng verzahnt ist. Was genau in der Tiefe vorgeht, bleibt aber in vielen Fällen rätselhaft.