Wenn Menschen an tektonische Plattengrenzen denken, dann meist im Zusammenhang mit Erdbeben. Doch Verwerfungen bewegen sich nicht nur ruckartig während Erdbeben. Manchmal gleiten die Erdplatten auch lautlos entlang geologischer Bruchzonen, ohne dabei spürbare Erschütterungen zu verursachen. Diese so genannten ‚Slow-Slip-Prozesse‘ bauen über Stunden oder Tage hinweg Spannung durch langsame Bewegungen ab – und bleiben von herkömmlichen Überwachungssystemen weitgehend unerkannt. Die Wissenschaft vermutet seit langem, dass stille Bewegungen eine wichtige Rolle während des Erdbebenzyklus spielen. Da sie jedoch nur schwache Signale erzeugen, sind sie schwer zu erkennen. Daher bleiben viele Fragen offen: Wie oft treten sie auf? Wo finden sie statt? Und können sie die nachfolgende seismische Aktivität beeinflussen?

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Zahra Zali (GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung) hat gemeinsam mit Prof. Patricia Martínez-Garzón (GFZ), Dr. David Mencin (EarthScope) und Prof. Gregory C. Beroza (Stanford University) eine bisher verborgene Gruppe von Slow-Slip-Ereignissen unter dem Parkfield-Abschnitt der kalifornischen San-Andreas-Verwerfung entdeckt. Mithilfe künstlicher Intelligenz, angewendet auf hochsensible Deformationsmessungen in Bohrungen, identifizierten die Forschenden Dutzende von kurzzeitigen Slow-Slip-Ereignissen und zeigten, dass auf diese stillen Verwerfungsbewegungen systematisch eine erhöhte Aktivität von Erdbeben niedriger Signal-Frequenz folgt. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Auf der Suche nach verborgenen Verwerfungsaktivitäten

Parkfield nimmt in der Erdbebenforschung einen besonderen Platz ein. An der San-Andreas-Verwerfung auf halbem Weg zwischen San Francisco und Los Angeles gelegen, ist es eine der am intensivsten überwachten Verwerfungszonen der Welt. Seit Jahrzehnten nutzen Forschende Parkfield als natürliches Labor, um zu untersuchen, wie Verwerfungen Spannung aufbauen und wieder freisetzen. Trotz des umfangreichen Überwachungsnetzes sind einige Deformationsprozesse nach wie vor nur sehr schwer zu beobachten und zu entschlüsseln.

„Verwerfungen können sich auf eine Weise bewegen, die keine starken seismischen Wellen erzeugt, und entziehen sich dann herkömmlichen Methoden der Erdbebenerkennung“, sagt die Hauptautorin Dr. Zahra Zali. „Wir wollten wissen, ob sich wichtige langsame Verschiebungsprozesse in jahrelangen kontinuierlichen Deformationsmessungen verbergen könnten.“

Um nach solchen verborgenen Signalen zu suchen, analysierte das Team kontinuierliche Beobachtungen von Bohrloch-Dehnungsmessgeräten, so genannten Strainmetern. Diese Instrumente sind in der Lage, extrem kleine und langsame Verformungsmuster in der Erdkruste zu erfassen und gehören zu den empfindlichsten verfügbaren Werkzeugen zur Überwachung aktiver Verwerfungen. Die Herausforderung besteht darin, die im Rauschen enthaltenen, amplitudenschwachen, extrem langsamen Deformationssignale herauszufiltern. Subtile und nur vorübergehend auftretende Signale können zwischen langfristigen Verformungstrends, Umwelteinflüssen und instrumentellem Rauschen leicht unbemerkt bleiben.

Künstliche Intelligenz entdeckt, was herkömmliche Methoden übersehen haben

Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelten die Forschenden einen Deep-Learning-Ansatz, der in der Lage ist, charakteristische Muster im Zusammenhang mit langsamen Verwerfungsverschiebungen automatisch zu identifizieren. Anstatt nach vordefinierten Signalen zu suchen, lernte der KI-basierte Algorithmus direkt aus den kontinuierlichen Deformationsdaten und gruppierte dann ähnliche Verformungsmuster. Dies ermöglichte es den Forschenden, bisher unerkannte kurzzeitige Slow-Slip-Ereignisse zu erkennen, die innerhalb weniger Stunden Spannungen abbauen.

„Diese Ereignisse sind mit herkömmlichen Methoden schwer zu identifizieren, da sie klein sind und oft in komplexen Hintergrundsignalen verborgen liegen“, erklärt Zali. „Künstliche Intelligenz ermöglichte es uns, ihre Muster zu erkennen, die sonst unbemerkt geblieben wären.“

Die Analyse führte zum ersten Katalog kurzzeitiger Slow-Slip-Ereignisse für den Bereich um Parkfield, der direkt aus kontinuierlichen Dehnungsmessungen abgeleitet wurde. Unabhängige Beobachtungen von nahegelegenen sogenannten ‚Kriechmessgeräten‘ untermauerten die Existenz dieser Ereignisse zusätzlich. Durch die Abschätzung der Lage und Bewegungsrichtung der Verwerfungsverschiebung zeigte sich, dass die Ereignisse in geringer Tiefe stattgefunden hatten und mit der rechtslateralen Bewegung der San-Andreas-Verwerfung übereinstimmen.

Aseismische Deformation und Seismizität hängen zusammen

Die Entdeckung wurde noch relevanter, als die Forschenden den zeitlichen Ablauf der neu entdeckten langsamen Verwerfungsverschiebungen mit der Beobachtung niederfrequenter Erdbeben (sog. Low-frequency Events, kurz LFEs) verglichen, einer speziellen Klasse schwacher seismischer Signale, die mit Verschiebungsprozessen an Transformstörungen wie der San-Andreas-Verwerfung in Verbindung stehen. Sie stellten fest, dass die Aktivität niederfrequenter Erdbeben nach dem Auftreten langsamer Verwerfungsverschiebungen zunimmt.

Diese Beobachtung legt nahe, dass selbst kleine Episoden aseismischer Deformationsbewegungen die lokalen Spannungsbedingungen verändern und die nachfolgende seismische Aktivität beeinflussen können. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese ‚Erdbeben in Zeitlupe‘ keine isolierten Phänomene sind“, sagt Prof. Patricia Martínez-Garzón. Sie ist Arbeitsgruppenleiterin in der GFZ-Sektion „Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren“ und Professorin an der RWTH Aachen und leitete das Projekt.

Patricia Martínez-Garzón: „Die Beobachtungen scheinen mit Veränderungen der seismischen Aktivität in Verbindung zu stehen, was darauf hindeutet, dass langsames Gleiten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Spannungsverhältnisse entlang aktiver Verwerfungen spielt.“

Eine Lücke in der Erdbebenforschung schließen

Slow-Slip-Ereignisse wurden in Subduktionszonen, in denen eine tektonische Platte unter eine andere abtaucht, bereits umfassend untersucht. Vergleichbare Beobachtungen in Transformverwerfungssystemen wie der San-Andreas-Verwerfung sind jedoch bislang begrenzt, insbesondere bei Ereignissen von kurzer Dauer. 

Die neue Studie trägt dazu bei, diese Beobachtungslücke in der „Slow-Earthquake-Forschung“ zu schließen. 

Die Forschenden fanden zudem heraus, dass zwischen der Größe der Ereignisse (dem sogenannten seismischen Moment als Maß für die Energie) und ihrer Dauer derselbe Zusammenhang besteht wie bei gewöhnlichen Erdbeben. Mit anderen Worten: Die Größe dieser langsamen Gleitereignisse nimmt mit ihrer Dauer in ähnlicher Weise zu wie bei Erdbeben. Zusammengenommen stützen diese Ergebnisse die zunehmend verbreitete Ansicht, dass Verwerfungsverschiebungen über ein Kontinuum von Phänomenen hinweg auftreten, das von stillen Verformungen bis hin zu zerstörerischen Erdbeben reicht.

Ein neuer Einblick in verborgene Verwerfungsprozesse

Die Ergebnisse unterstreichen die zunehmende Bedeutung des gezielten Einsatzes künstlicher Intelligenz in den Geowissenschaften und zeigen, wie Ansätze des maschinellen Lernens bisher verborgene Signale in großen geophysikalischen Datensätzen aufdecken können.

Die Forschenden gehen davon aus, dass ähnliche kurzzeitige langsame Gleitereignisse weltweit auch an anderen Verwerfungen auftreten könnten und dass zukünftige Studien unter Verwendung dichter geodätischer Überwachungsnetze weitere Beispiele aufdecken könnten.

„Viele wichtige Verwerfungsprozesse finden statt, ohne Schaden-bringende Erdbeben zu verursachen“, sagt Zahra Zali. „Durch die Erkennung dieser verborgenen Signale können wir ein vollständigeres Bild davon gewinnen, wie sich Verwerfungen zwischen Erdbeben verhalten und wie Spannung durch die Erdkruste übertragen wird.“ 

Originalstudie:

Zali, Z., Martínez-Garzón, P., Mencin, D. et al.: „Slow slip modulates low-frequency seismicity on the Parkfield segment of the San Andreas Fault.“ Nat Commun 17, 5137 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74095-9