Erdbebendynamik, getragen durch seismisches CO₂

Versteckte Gase bei Erdbeben

Die meisten von uns stellen sich Erdbeben als Gesteinsmassen vor, die tief unter der Oberfläche aneinander vorbeigleiten. Diese Studie fügt der Szene eine überraschende Figur hinzu: gewöhnliches Kohlendioxid. Die Autoren zeigen, dass bei starken Erdbeben in kalksteinreichen Gebirgen Reibungswärme kurzzeitig festes Gestein in eine Quelle von hochdruckhaltigem CO₂ verwandeln kann. Dieses Gas erleichtert dann das Gleiten der Verwerfung, was Erschütterungen potenziell vergrößern und zerstörerischer machen kann.

Wo die Beben auftreten

Die Untersuchung konzentriert sich auf Normalverwerfungen, die Karbonatgesteine in den italienischen Apenninen durchschneiden — ein Gebiet, das in den letzten Jahrzehnten mehrere zerstörerische Beben hervorgebracht hat, darunter die Ereignisse von L’Aquila 2009 und Amatrice–Norcia 2016. Diese Verwerfungen durchziehen mächtige Schichten aus Kalkstein und verwandten Gesteinen, die reich an Mineralen wie Calcit sind. An der Oberfläche können die Forscher heute entlang genau der Ebenen gehen, die sich bei früheren Erdbeben bewegt haben, und untersuchen, wie diese alten Bruchflächen durch Wärme und Fluide verändert wurden.

Spuren im zerrissenen Gestein

Durch die Kombination von Feldbeobachtungen mit leistungsfähigen Mikroskopen, Röntgendiffraktion und Messungen stabiler Isotope identifizierte das Team ultradünne Schichten — nur 2–10 Mikrometer dick — direkt unter den Hauptgleitflächen. Diese Schichten enthalten korrodierte Karbonatkörner mit abgerundeten Poren und Gängen, die Texturen entsprechen, wie sie in Hochgeschwindigkeits-Laborexperimenten zu Erdbeben entstehen. Die Gleitflächen zeigen zudem leicht geringeren Calcitgehalt als das unmittelbar darunterliegende Gestein, und die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopensignaturen verschieben sich in erwarteter Weise, wenn heißes Gestein CO₂ freisetzt und später teilweise durch neues Calcit verfestigt wird. Zusammengenommen deuten diese Hinweise auf wiederholte, schnelle Dekarbonatisierungsprozesse genau dort hin, wo die Verwerfung am intensivsten gleitet.

Wie viel Gas und welcher Druck

Mithilfe dieser mikroskopischen Beobachtungen als Randbedingungen bauten die Autoren ein stöchiometrisches und thermodynamisches Modell, um abzuschätzen, wie viel CO₂ große Apenninen-Erdbeben erzeugen könnten. Selbst unter absichtlich konservativen Annahmen — mit den dünnsten beobachteten Reaktionsschichten und dem geringsten gemessenen Calcitverlust — finden sie, dass ein Ereignis der Magnitude 5,9–6,5 etwa 6–12 Tonnen CO₂ entlang des gleitenden Abschnitts der Verwerfung erzeugen kann. Anschließend berechneten sie die resultierenden Drücke für zwei Grenzfälle. Wird das Gas kurzzeitig in einer nahezu geschlossenen Verwerfungszone eingeschlossen (ein „undrainierter“ Zustand), können die Drücke die vom umgebenden Gestein in mehreren Kilometern Tiefe ausgeübten Werte erreichen, also Größenordnungen von Hunderten Megapascal. Öffnen sich dagegen Wege und erlaubt die Verwerfung Fluidfluss („drainierte“ Bedingungen), fallen die Drücke, bleiben aber deutlich über normalen Grundwasserdruckniveaus und liegen im hydrostatischen bis supra-hydrostatischen Bereich.

Warum aufgeladene Gase wichtig sind

Solch hohe Porendrücke verringern die effektive Druckkraft, die die Verwerfung zusammenhält. Anders gesagt wirkt das durch rasche Erwärmung erzeugte CO₂ wie ein temporärer Schmierstoff: Es schwächt die Verwerfung, fördert anhaltendes Gleiten und kann es sogar erlauben, dass sich der Bruch mit ungewöhnlich hoher Geschwindigkeit entlang der Verwerfung ausbreitet. Die Autoren schlagen vor, dass Erdbebenfolgen in karbonathaltigen Gebieten daher stark von diesen kurzlebigen CO₂‑Pulsen geprägt sein können. Wenn das Ereignis abklingt und die Drücke fallen, können äußere Fluide wieder in die heiße, geschädigte Zone eingesaugt werden und neues Calcit ausfällen, das eine mikroskopische Aufzeichnung des Bebens hinterlässt.

Was das für Menschen bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass seismisches CO₂ bei Erdbeben in kalksteinreichen Regionen nicht nur ein harmloses Nebenprodukt ist, sondern eine aktive Rolle in der Verwerfungsmechanik spielt. Vorübergehende Gasaufpressung kann schnelles Verwerfungsrutschen aufrechterhalten und die Erschütterungen verstärken, zugleich verwandelt sie Verwerfungen vorübergehend in CO₂‑Speicher, die tiefes Kohlenstoffmaterial mit der Oberfläche verbinden. Die Kenntnis dieses verborgenen Gaskreislaufs verbessert unser physikalisches Verständnis davon, wie manche Erdbeben groß und zerstörerisch werden, und weist darauf hin, dass künftige Gefährdungsmodelle die flüssigkeitsbedingte Abschwächung innerhalb der Erdkruste berücksichtigen sollten.

Zitation: Curzi, M., Billi, A., Aldega, L. et al. Earthquake dynamics sustained by seismic CO₂. Nat Commun 17, 2766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69174-w

Schlüsselwörter: Erdbeben, Kohlendioxid, Verwerfungszonen, Karbonatgesteine, seismische Gefährdung