Magnitude Compression at Two Completeness Thresholds and the Likelihood of Large Earthquakes: Pre-registered Tests of Blue-Dominance and Red-Persistence Rules
Diese vorregistrierte Studie, die Erdbebenkataloge aus Japan, Chile und der Türkei analysierte, fand heraus, dass, während eine „Blue-Dominance“-Regel (bei der die Magnitudenkompression an einer niedrigeren Schwelle die an einer höheren Schwelle übersteigt) erfolgreich Perioden mit signifikant verringerter Wahrscheinlichkeit für große Erdbeben identifizierte, keine der getesteten Regeln den Ansatz großer Erdbeben zuverlässig vorhersagen konnte.
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Erdbeben sind die Art und Weise des Planeten, aufgestaute Spannungen entlang der Risse in seiner Kruste abzubauen, und seit über einem Jahrhundert untersuchen Wissenschaftler die Kataloge jedes durch empfindliche Instrumente aufgezeichneten Bebens. Diese Aufzeichnungen enthalten eine enorme Menge an Daten, die Zeit, Ort und Stärke von Millionen von Ereignissen auflisten, von den schwächsten Erschütterungen, die von Menschen kaum gespürt werden, bis hin zu den massiven Brüchen, die Landschaften umgestalten. Eine zentrale Herausforderung in diesem Feld besteht darin, das Hintergrundrauschen der täglichen seismischen Aktivität von den spezifischen Mustern zu unterscheiden, die signalisieren könnten, dass ein großes, gefährliches Erdbeben unmittelbar bevorsteht. Obwohl es gut etabliert ist, dass Erdbeben dazu neigen, sich in Zeit und Raum zu häufen, wobei oft kleinere Erschütterungen auf größere folgen, blieb das Auffinden eines zuverlässigen Kurzzeitwarnsignals für ein schwerwiegendes Ereignis bisher unerreicht. Die meisten vorgeschlagenen Signale haben sich bei strengen Tests gegen neue Daten nicht bewährt, was die wissenschaftliche Gemeinschaft ohne eine verlässliche Methode zurücklässt, die vorhersagen kann, wann der Boden als Nächstes heftig beben wird.
In einer kürzlich erschienenen Studie setzte sich ein Forscher mit der Idee auseinander, wie sich die Größe von Erdbeben im Laufe der Zeit verändert, und nutzte dabei eine Methode, die darauf ausgelegt ist, die üblichen Fallstricke der Suche nach Mustern zu vermeiden, die bereits aufgetreten sind. Die Studie konzentrierte sich auf drei verschiedene Regionen, die für ihre seismische Aktivität bekannt sind: die Noto-Halbinsel in Japan, die Region Iquique in Chile und das Gebiet Kahramanmaraş in der Türkei. Der Forscher untersuchte die Beziehung zwischen zwei verschiedenen Arten, die „Kompression“ von Erdbebenmagnituden zu messen. Ein Maß betrachtete alle Erdbeben größer als Magnitude 1,5, die häufig und klein sind, während das andere nur jene betrachtete, die größer als 3,0 sind, welche seltener und energiereicher sind. Durch die gleichzeitige Verfolgung dieser beiden Messwerte im Zeitverlauf testete der Forscher drei spezifische Regeln, um zu sehen, ob sie vorhersagen können, wann innerhalb der nächsten drei Monate ein großes Erdbeben auftreten wird. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse kein Glückstreffer waren, wurden die Regeln schriftlich fixiert und mit einem digitalen Zeitstempel versehen, bevor die Daten analysiert wurden – eine Praxis, die als Präregistrierung bekannt ist und verhindert, dass Wissenschaftler ihre Kriterien ändern, nachdem sie die Ergebnisse gesehen haben.
Die Studie ergab, dass eine der drei Regeln eine klare und statistisch signifikante Erkenntnis lieferte, während die anderen beiden dies nicht taten. Die erfolgreiche Regel betraf einen Zeitraum, in dem das Maß der kleineren, häufigeren Erdbeben konsistent höher blieb als das Maß der größeren, selteneren Erdbeben. Wenn diese „blaue Dominanz“ auftrat – das heißt, wenn die Kurve für die kleinen Ereignisse ohne Unterbrechung über der Kurve für die großen Ereignisse lag –, sank die Wahrscheinlichkeit eines schweren Erdbebens in den folgenden 90 Tagen drastisch. In den drei untersuchten Regionen folgte auf diesen Zustand nur etwa ein Fünftel der Fälle ein großes Erdbeben im Vergleich zu einem durchschnittlichen Tag. Dieses Ergebnis blieb auch dann bestehen, nachdem die Forscher die Gesamtzahl der in der Region stattfindenden Erdbeben berücksichtigt hatten, was darauf hindeutet, dass das Muster der Größen und nicht bloß das schiere Volumen der Aktivität die Information trug. Die Erkenntnis impliziert, dass, wenn der Boden sehr gleichmäßige kleine Erschütterungen erzeugt, ohne dass die größeren Ereignisse eine ähnlich gleichmäßige Struktur annehmen, die Region in einer ruhigen Phase ist, in der ein massiver Bruch unwahrscheinlich ist.
Umgekehrt schloss die Studie die Idee explizit aus, dass ein Anstieg der größeren Erdbeben als Warnsignal dienen könnte. Eine der getesteten Regeln besagte, dass ein großes Erdbeben wahrscheinlicher folgen würde, wenn die Kurve der größeren Erdbeben wiederholt über die Kurve der kleineren kreuzt oder wenn sie eine Woche oder länger darüber verbleibt. Die Daten zeigten, dass wiederholte Kreuzungen zwar mit höherer Aktivität korrelierten, dies jedoch schlichtweg darauf zurückzuführen war, dass das Gebiet bereits mit vielen Erdbeben beschäftigt war, und nicht darauf, dass das Muster selbst ein großes Ereignis vorhersagte. Ebenso war es nicht der Fall, dass die Kurve der größeren Erdbeben zuverlässig einem schweren Beben vorausging, wenn sie mindestens sieben Tage lang über der kleineren lag. Tatsächlich wurde nur vier von den vierzehn in der Studie analysierten großen Erdbeben von einer solchen anhaltenden Periode begleitet. Dieses Ergebnis stellt die intuitive Vorstellung infrage, dass eine lange Phase gleichmäßiger, hochenergetischer kleiner Beben signalisiert, dass die Erdkruste die Spannung ansammelt, die für eine massive Freisetzung notwendig ist.
Die Forscher wiesen vorsichtig darauf hin, dass ihre Ergebnisse auf einer relativ geringen Anzahl großer Erdbeben basieren – insgesamt fünfzehn in den drei Zonen – und dass die Ergebnisse an unabhängigen Datensätzen bestätigt werden müssen, die nicht Teil dieser ersten Analyse waren. Die Studie behauptet nicht, das Problem der Erdbebenvorhersage gelöst zu haben, noch bietet sie ein Werkzeug an, das den Menschen genau sagen kann, wann sie evakuieren müssen. Stattdessen identifiziert sie eine spezifische Bedingung, unter der das Risiko eines schweren Erdbebens deutlich geringer als üblich ist. Diese Unterscheidung könnte für Katastrophenmanager und Wissenschaftler praktisch nützlich sein, indem sie hilft, Zeiträume zu identifizieren, in denen eine routinemäßige Überwachung ausreicht, anstatt erhöhte Wachsamkeit erforderlich zu machen. Durch das Einfrieren der in der Studie verwendeten Regeln und Codes hat der Forscher ermöglicht, dass andere dieselben Muster an neuen Daten aus Japan und Kalifornien testen können, wodurch der wissenschaftliche Prozess die Verfeinerung unseres Verständnisses darüber, wie sich die Erde vor einem Beben verhält, fortsetzt.
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