Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

Unter der Oberfläche der Erde ist der Boden keine solide, ununterbrochene Schale. Stattdessen ist er durch massive Risse, sogenannte Verwerfungen, zerbrochen, an denen tektonische Platten aneinander vorbeigleiten oder gegeneinander drücken. Wenn sich entlang dieser Risse Spannung aufbaut und schließlich entlädt, ist das Ergebnis ein Erdbeben. Für Wissenschaftler, die versuchen vorherzusagen, wo und wie stark der Boden beben könnte, ist es unerlässlich, die genaue Form und Richtung dieser verborgenen Risse zu kennen. Doch während Geologen Verwerfungen kartieren können, die die Oberfläche durchbrechen, treten die meisten gefährlichen Erdbeben an „blinden Verwerfungen“ auf, die niemals die Oberseite erreichen. Diese unsichtbaren Strukturen liegen tief unter der Erde und sind mit herkömmlichen Werkzeugen wie Satellitenbildern oder Oberflächenuntersuchungen daher fast unmöglich zu sehen. Ohne ein klares Bild dieser verborgenen Geometrien ist es schwierig zu verstehen, wie sich Spannung durch die Erdkruste bewegt oder das Risiko zukünftiger Katastrophen genau einzuschätzen.

In der nördlichen japanischen Insel Hokkaido ist diese Herausforderung besonders akut. Die Region liegt an einem komplexen Knotenpunkt, an dem mehrere massive tektonische Platten kollidieren und aneinander vorbeigleiten. Diese tektonische Aktivität erzeugt häufige Erdbeben, doch viele der für sie verantwortlichen Verwerfungen bleiben unbekannt, da sie tief unter dem Boden verborgen oder durch dicke Schichten aus Schnee und Vegetation verdeckt sind. Um dieses Rätsel zu lösen, wandte sich ein Forscherteam an die Erdbeben selbst. Durch die Analyse der präzisen Standorte von tausenden kleinen Erschütterungen, die in den letzten zwei Jahrzehnten aufgetreten sind, konnten sie die dreidimensionalen Formen der Verwerfungen rekonstruieren, die sie verursacht haben. Ihre Arbeit liefert die erste umfassende Karte dieser verborgenen Strukturen über die gesamte Inlandsregion von Hokkaido und offenbart eine Landschaft aus tiefen, steilen Rissen, die sich signifikant von dem unterscheiden, was Oberflächenkarten suggeriert hatten.

Die Forscher begannen damit, die Erde mit einem unglaublich empfindlichen Ohr zu belauschen. Sie sammelten kontinuierliche Aufzeichnungen aus einem dichten Netzwerk von Seismometern, die in ganz Hokkaido verteilt waren, und erfassten jede Vibration von 2004 bis 2024. Mithilfe fortschrittlicher Computermodelle, die darauf trainiert waren, die schwachen Signale von Erdbeben zu erkennen, identifizierten sie Hunderttausende von seismischen Ereignissen, die traditionelle Methoden übersehen hatten. Viele davon waren winzige Erschütterungen, die für Menschen kaum spürbar waren, aber zusammen bildeten sie eine detaillierte Punktwolke, die markierte, wo der Boden gebrochen war. Das Team verfeinerte dann den Standort jedes Ereignisses mit extremer Präzision, indem es die Tatsache korrigierte, dass seismische Wellen durch verschiedene Arten von Gestein mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wandern. Dieser Prozess resultierte in einer hochgenauen Karte der Orte, an denen die Erdbeben stattfanden, wodurch die Seismizität effektiv in eine leuchtende Umrandung der unsichtbaren Verwerfungslinien verwandelt wurde.

Mit dieser dichten Punktwolke aus Erdbebenlokalitäten in der Hand wandte das Team eine neue Methode an, um die flachen Ebenen zu finden, die die Verwerfungen repräsentieren. Sie suchten nach Mustern in der Art und Weise, wie die Punkte zusammenklumpten, wobei sie die Sammlung von Erdbebenlokalisationen wie eine Staubwolke behandelten, die sich natürlich in der Form der Risse absetzt, entlang derer sie gegleitet waren. Durch die Analyse der Orientierung dieser Cluster konnten sie die Richtung und Steilheit der Verwerfungen bestimmen. Das Ergebnis war eine Rekonstruktion von 184 distinkten, rechteckigen Verwerfungssegmenten im Inland von Hokkaido. Diese Befunde zeigten, dass die Region von steilen, hochwinkligen Verwerfungen dominiert wird, von denen die meisten zwischen 6 und 12 Kilometern tief liegen. Diese Tiefe ist signifikant, da sie die Erdbeben fest in der oberen Kruste verortet, der spröden Schicht des Erdinneren, in der Gesteine brechen statt zu fließen.

Die Karte, die sie erstellten, erzählt eine klare Geschichte über die tektonischen Kräfte, die die Insel formen. Im Zentrum von Hokkaido bilden die Verwerfungen lange, Nord-Süd-Linien, die perfekt mit der Grenze übereinstimmen, an der zwei große geologische Regionen kollidieren. Diese Kollisionszone, bekannt als Hidaka-Kollisionszone, ist der Ort, an dem der Kuril-Bogen gegen den Nordost-Japan-Bogen drückt. Die Forscher fanden heraus, dass die Verwerfungen in diesem Gebiet steil und gut organisiert sind, was darauf hindeutet, dass die Kruste auf eine sehr spezifische, vorhersehbare Weise zusammengedrückt und gebrochen wird. Im Osten von Hokkaido verschiebt sich das Muster. Hier verlaufen die Verwerfungen von Nordost nach Südwestwest und spiegeln die Bewegung eines Krustenstücks wider, das seitlich von der subduzierenden Pazifischen Platte weggeschoben wird. Diese Orientierungen stimmen mit der breiteren Bewegung der tektonischen Platten überein, was bestätigt, dass die verborgenen Verwerfungen direkt auf die Kräfte reagieren, die die Geologie der Region antreiben.

Eine der auffälligsten Entdeckungen war die Tiefe der Verwerfungen in verschiedenen Gebieten. Während die meisten der seismischen Aktivitäten in der oberen Kruste auftraten, fanden die Forscher tiefe Verwerfungen, die unter 20 Kilometer reichen, jedoch nur im südlichen Teil des zentralen Hokkaido. Dieses Gebiet entspricht dem dicksten Teil der Kruste, wo die Kollision zwischen den tektonischen Bögen das Gestein aufgetürmt hat. Im Gegensatz dazu zeigten die vulkanischen Regionen im Norden und Westen sehr flache Verwerfungen, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Hitze von Magma und heißen Fluiden das Gestein schwächt und so verhindert, dass tiefe Risse entstehen. Die Studie hob auch Gebiete hervor, in denen die Verwerfungsmuster komplex und schwer zu definieren sind, wie etwa an der nördlichsten Spitze der Insel, wo langsame, kriechende Bewegungen der Kruste eine chaotische Mischung aus Brüchen erzeugen könnten.

Um die Zuverlässigkeit ihrer neuen Karte zu testen, verglichen die Forscher ihre rekonstruierten Verwerfungen mit den bekannten Bruchmustern von acht großen Erdbeben, die in den letzten zwei Jahrzehnten in der Region aufgetreten waren. Sie stellten fest, dass bei sechs dieser Ereignisse die von ihnen identifizierten Verwerfungen die tatsächlichen Bruchflächen mit bemerkenswerter Genauigkeit trafen, wobei die Abweichung nur wenige Grad betrug. Dies schloss das verheerende Erdbeben von 2018 in Ost-Iburi ein, bei dem ihr Modell korrekt die steile, nach Osten einfallende Verwerfung identifizierte, die die Katastrophe verursachte. Diese Übereinstimmung gibt den Wissenschaftlern die Gewissheit, dass ihre Methode erfolgreich die Geometrie von Verwerfungen aufzeigen kann, noch bevor ein großes Erdbeben eintritt. Es deutet auch darauf hin, dass die von ihnen kartierten verborgenen Verwerfungen dieselben sind, die wahrscheinlich zukünftige Erdbeben produzieren werden.

Die Studie untersuchte auch, wie wahrscheinlich es ist, dass diese Verwerfungen unter den aktuellen Spannungsbedingungen erneut gleiten. Durch die Berechnung der Kräfte, die auf jede Verwerfung wirken, fanden die Forscher heraus, dass die steilen Verwerfungen entlang der zentralen Kollisionsgrenze perfekt darauf ausgerichtet sind, zu versagen, was bedeutet, dass sie unter hoher Spannung stehen und bereit sind, zu brechen. Im Gegensatz dazu zeigten die Verwerfungen, die entlang der vulkanischen Kette im Nordosten und Südwesten verlaufen, eine viel geringere Neigung zum Gleiten. Dies deutet darauf hin, dass in diesen vulkanischen Gebieten lokale Bedingungen – wie etwa hoher Druck durch unterirdische Fluide oder Variationen im Spannungsfeld – verhindern, dass die Verwerfungen versagen, oder vielleicht die Art und Weise ihres Verhaltens verändern. Diese Unterscheidung ist entscheidend für die Gefahrenanalyse, da sie hilft zu identifizieren, welche Teile der Region am anfälligsten für ein unmittelbares Versagen sind.

Trotz des Erfolgs der neuen Karte räumen die Forscher deren Grenzen ein. Die Methode ist vollständig von der Anwesenheit dichter seismischer Aktivität abhängig; in Gebieten, in denen nur wenige Erdbeben auftreten, wie der Ishikari-Tiefebene oder der Tokachi-Ebene, bleiben die Verwerfungen unsichtbar. Das bedeutet, dass die Karte zwar einen großen Teil der Insel abdeckt, aber noch nicht alle Verwerfungssysteme zeigt. Zudem ist die Annahme, dass Verwerfungen flache, rechteckige Ebenen sind, eine Vereinfachung; in der Realität sind Verwerfungen oft gekrümmt und komplex. Die Forscher argumentieren jedoch, dass dieser Ansatz eine solide Erstschätzung liefert, die ein Maß an Detailgenauigkeit bietet, das zuvor nicht erreichbar war. Indem sie die unsichtbaren Erschütterungen der Erde in ein klares geometrisches Bild verwandeln, bietet diese Arbeit eine neue Grundlage für das Verständnis der seismischen Risiken in Hokkaido und dient als Modell dafür, wie ähnliche verborgene Strukturen in anderen tektonisch aktiven Regionen der Welt kartiert werden könnten.