Zusammenfassung

In Subduktionszonen, wo eine tektonische Platte unter die andere taucht, können Nachbeben innerhalb der oberen Platte besonders gefährlich sein, da sie oft in geringer Tiefe unter dicht besiedelten Küstenregionen auftreten. Nach dem schweren Erdbeben von Iquique im Norden Chiles im Jahr 2014 mit einer Stärke von 8,2 wurden die Nachbebensequenz und die Oberflächendeformationen detailliert beobachtet und analysiert. Eine Studie im Fachmagazin Nature Communications unter der Leitung von Forschenden des GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung und der Universität Potsdam in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern zeigt, dass das Hauptbeben durch die Deformation der oberen Erdkruste Fluidbewegungen in den Gesteinsporen auslöst, die eine räumliche und zeitliche Änderung des Porendrucks zur Folge haben. Diese Porendruck-Diffusion korreliert mit der Verteilung und dem zeitlichen Abklingen der Nachbebenaktivität. Das analysierte das Team unter der Leitung von Dr. Carlos Peña, indem es hochauflösende Aufzeichnungen der Nachbebensequenz, Zeitreihen der Oberflächendeformation aus Satellitendaten und 4D hydromechanische Modelle kombinierte. Die Modellergebnisse zeigen auch, dass die Porendruck-Diffusion im Vergleich zu anderen Prozessen, die nach dem Hauptbeben die Spannungen in der Erdkruste ändern, um mindestens einen Faktor zehn wirksamer ist. In Summe schließen die Forschenden, dass die Porendruck-Diffusion der wahrscheinlichste Auslöser für die beobachteten Nachbeben ist. Wenn dies ein allgemeines Merkmal nach starken Erdbeben in Subduktionszonen ist, können diese Ergebnisse zu einer physikalisch basierten Vorhersage einer Nachbebensequenz beitragen. 

Hintergrund: Raum-zeitliche Verformung und Spannungsänderungen während der Nachbebenfolge

Nach großen Erdbeben in Subduktionszonen, wo eine tektonische Platte unter die andere taucht, verformt sich die Erdkruste noch wochen- bis jahrelang weiter. Diese postseismische Deformation wurde mit globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) und den dazugehörigen Bodenstationen beobachtet. Sie geht mit Nachbeben einher, die allmählich abklingen. 

Frühere Studien von Peña et al. (2020, 2022) zeigen, dass die postseismische Deformation durch drei verschiedene Prozesse gesteuert wird: Kriechprozesse durch viskoelastische Relaxation, Nachrutschen in der Plattengrenze, in der das Hauptbeben stattfand, und Porendruck-Diffusion. Diese letztgenannte zeitliche und räumliche Änderung des Porendrucks wird durch Fluidbewegungen in den Gesteinsporen verursacht, die das Hauptbeben durch Deformation der oberen Erdkruste auslöst.

Nur eine Kombination aller drei Prozesse kann den zeitlichen Verlauf des horizontalen und vertikalen Verformungssignals erklären. Ihr relativer Beitrag hängt von der Entfernung zum Bebenherd ab und davon, wieviel Zeit seit dem Hauptbeben vergangen ist.

Die drei postseismischen Deformationsprozesse verändern auch den Spannungszustand in der oberen Platte. Die Kriechprozesse und die Nachrutschungen nehmen mit der Zeit ab, können aber je nach Stärke des Hauptbebens mehrere Jahre bis Jahrzehnte andauern. Die frühere Studie von Peña et al. (2022) zeigte, dass die Porendruck-Diffusion dagegen relativ schnell abklingt und somit vorwiegend in den ersten Monaten nach dem Hauptbeben eine große Rolle spielt. Und sie ist dem Abklingen der Nachbebensequenz sehr ähnlich. Dieses Ergebnis war der Auslöser für die neuen Untersuchungen.

Neue Studie erklärt die Vielfalt von Verwerfungsarten in der Nachbebensequenz

Die kürzlich in Nature Communications Earth and Environment publizierte Studie untersucht die Korrelation zwischen den räumlich-zeitlichen Mustern der Nachbebensequenzen und der Porendruckdiffusion anhand der Nachbeben des schweren Erdbebens der Magnitude 8,2 von Iquique im Norden Chiles im Jahr 2014. Die Studie ist das Ergebnis einer langfristigen Forschungsarbeit, die Dr. Carlos Peña während seiner Doktorarbeit und Postdoktoranden-Tätigkeit am GFZ begann, zusammen mit weiteren Kolleg:innen vom GFZ um Prof. Dr. Oliver Heidbach, Arbeitsgruppenleiter in der GFZ-Sektion 2.6 „Erdbebengefährdung und dynamische Risiken“, PD Dr. Sabrina Metzger, Arbeitsgruppenleiterin der GFZ-Sektion 4.1 „Dynamik der Lithosphäre“, und Prof. Dr. Claudio Faccenna, Leiter derselben Sektion, sowie von der Ruhr-Universität Bochum und aus Chile. Wesentliche Basis für diese Arbeit sind die kontinuierlich erhobenen GNSS- und seismischen Daten aus dem internationalen Forschungsnetzwerk IPOC (Internationales Plattenrandobservatorium Chile | International Plate Boundary Observatory Chile), das Messinstrumente und Projekte zur Erforschung des Subduktionssystems im Norden Chiles betreibt und hauptsächlich vom GFZ unterstützt wird.  

Eigentlich erwartet man, dass die Bruchflächen der Nachbeben eine ähnliche Orientierung aufweisen wie die des Hauptbebens. Die Forschenden haben jedoch beobachtet, dass die Bruchflächen in der Nachbebensequenz von Erdbeben in Subduktionszonen vielfältig im Raum orientiert sind. Auch diese Beobachtung lässt sich nur durch die Porendruck-Diffusion als auslösendem Mechanismus erklären. Denn Porendruckänderungen wirken in alle Richtungen gleich und verringern somit die Spannungen, die senkrecht auf eine Bruchfläche wirken, unabhängig von deren Orientierung. Andere postseismische Prozesse, die die Spannungen ändern, wirken nur in eine bestimmte Raumrichtung. Damit liefert die neue Studie eine einfache, aber eindrucksvolle Erklärung für die beobachtete Vielfalt in den Verwerfungsarten der Nachbebenfolge.

Auswirkungen auf die seismische Gefährdungsabschätzung und Ausblick

In Subduktionszonen können Nachbeben innerhalb der oberen Platte besonders gefährlich sein, da sie in geringer Tiefe unter dicht besiedelten Küstenregionen auftreten können. Während die Wissenschaft Nachbeben seit langem anhand von Veränderungen der statischen Spannung untersuchen, ist die zeitabhängige Natur dieser Sequenzen nach wie vor kaum verstanden. Das Verständnis der physikalischen Prozesse, die die Nachbebensequenzen steuern, kann einen wichtigen Beitrag für die Bewertung der seismischen Gefährdung nach Starkbeben liefern, denn dann ist die zuvor beschädigte Infrastruktur besonders anfällig. 

„Diese neuen Erkenntnisse über die Rolle von Fluidbewegungen im Erdbebenzyklus können zur Entwicklung verbesserter physikalischer Modelle für die Vorhersage von Nachbeben beitragen“, resümiert Carlos Peña. „Dieses Wissen kann dazu beitragen, Szenario-Simulationen in Regionen zu verfeinern, in denen große Subduktionsbeben zu erwarten sind. So kann das künftige Katastrophenmanagement unterstützt werden.“

Aus den neuen Erkenntnissen ergeben sich auch bereits neue Forschungsfragen: Wenn die Porendruckdiffusion die Spannungsänderungen im Nahfeld um den Bebenherd insbesondere in den ersten Wochen oder Monaten dominiert, stellt sich zum Beispiel die Frage, ob dieser Prozess auch ein Treiber für Vorbebensequenzen und beobachtete Kriechereignisse, sogenannte Slow-Slip-Events, entlang der Plattengrenzen ist.

Finanzierung

Die Forschung wird im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG geförderten Projekts von Dr. Peña – „Slip Budget in Subduction Zones Illuminated by Geodetic Measurements and Earthquake Cycle Deformation Modeling (STRONG)” (54165067) – fortgesetzt. Die Arbeit wurde außerdem durch das DFG-Projekt ALPSHAPE2 (442567237), das Postdoc-Bridge-Programm der Universität Potsdam und im Rahmen des ERC-Grant-Projektes TectoVision (101042674) von Co-Autor Jonathan Bedford (bis 2022 am GFZ, heute Professor an der Ruhr-Universität Bochum) unterstützt.

Originalpublikation

Peña, C., Heidbach, O., Metzger, S. et al. Pore-pressure diffusion controls upper-plate aftershocks of the 2014 Iquique earthquake. Nat Commun16, 9474 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65013-6