Große Mega-Rutschungsbeben in kalten Mantelkeil-Ecken unter Lawsonit-Blaufschiefer-Fazies

Warum tiefe Erdbeben wichtig sind

Die meisten Menschen stellen sich Erdbeben als Brüche in der Erdkruste direkt unter unseren Füßen vor. Doch einige der stärksten Beben der Erde reißen tatsächlich durch Gesteine mehr als 50 Kilometer tief, wo Temperaturen und Drücke extrem sind. Dieser Artikel untersucht, warum ungewöhnlich große Erdbeben so tief in bestimmten Subduktionszonen auftreten können—also dort, wo eine tektonische Platte unter eine andere taucht—und zeigt, dass eine bestimmte Art umgewandelter Meeresablagerung der Schlüssel sein könnte.

Wo große Beben gewöhnlich aufhören

In vielen gut untersuchten Subduktionszonen, etwa vor Japan oder der Nordwestküste Nordamerikas, treten große „Megathrust“-Erdbeben meist nur bis zu einer bestimmten Tiefe auf. Unterhalb von etwa 350 °C oder in der Nähe der Grenze zwischen Kruste und Mantel verformen sich Gesteine meist zu glatt, um größere Brüche zu erzeugen. Anstelle plötzlicher Brüche kriechen sie langsam oder zeigen schwache, grollende Ereignisse, sogenannte Slow Slips und Tremore. Diese Tiefengrenze hat die Einschätzung der Größe künftiger Beben und Tsunamis durch Wissenschaftler geprägt.

Ein Rätsel in kalten Subduktionszonen

Dennoch widersprechen mehrere jüngere Beben dieser Regel. Das Kermadec-Beben von 2021 der Magnitude 8,1 und tiefe Ereignisse der Magnitude ~7 unter Nordchile und im Japan-Graben rissen weit unterhalb des üblichen Abbruchpunkts auf, im Bereich des sogenannten Mantelkeil-Ecks. Diese Bereiche liegen dort, wo sich die abtauchende Platte unter den darüber liegenden Mantel krümmt, in relativ kalten Subduktionszonen, in denen Gesteine in niedrigtemperaturige „Blaufschiefer“-Typen umgewandelt werden. Die häufigen tiefen Beben dort deuten darauf hin, dass unter den richtigen Bedingungen Teile der tiefen Platten-Schnittstelle überraschend spröde und bruchbereit sein können.

Ein genauerer Blick auf umgewandelte Meeresablagerungen

Um dieses Verhalten zu untersuchen, prüften die Autoren ein Gestein namens Metagrauwacke—eine verbreitete Art subduzierter Meeresablagerung, die unter Druck und Erwärmung in die Lawsonit-Blaufschiefer-Fazies überführt wurde. Sie entnahmen eine Probe von Santa Catalina Island in Kalifornien, wo solche Gesteine durch frühere Subduktion wieder an die Oberfläche gebracht wurden. Mikroskopische Analysen zeigten ein Gemenge aus Quarz, Feldspat und Bruchstücken mit reichlich Lawsonit-, Chlorit- und Amphibol-Mineralen, konsistent mit Bedingungen von etwa 330 °C und Tiefen um 37 Kilometer in einer kalten Subduktionsumgebung. Damit ist die Probe ein realistischer Stellvertreter für Material, das heute in modernen kalten Platten wie Kermadec und dem Japan-Graben hinabgeführt wird.

Wie das Gestein unter Belastung versagt

Im Labor zermahlte das Team die Metagrauwacke zu feinem Pulver, platzierte sie zwischen Blöcken aus härterem Gestein und scherte sie unter kontrollierten Temperatur-, Druck- und Wasserbedingungen. Durch plötzliche Änderungen der Scherrate und die Verfolgung der Widerstandsänderung konnten sie erkennen, wann das Material dazu neigte, glatt zu gleiten, und wann es instabil wurde—ein wesentliches Merkmal für Erdbeben. Bei niedrigen Temperaturen verstärkte sich das Material meist, wenn es schneller geschert wurde, ein Zeichen stabilen Verhaltens. Mit steigender Temperatur in den Lawsonit-Blaufschiefer-Bereich bei mäßigem Normaldruck wechselte es in ein „Geschwindigkeits‑schwächendes“ Regime, bei dem schnelleres Gleiten den Widerstand verringert und unkontrolliertes Gleiten fördert. Bei noch höheren Drücken und Temperaturen begann das Material zunehmend duktil zu fließen, wodurch seine Neigung zu sprödem Bruch abnahm.

Verbindung von Laborbefunden zu realen Verwerfungen

Mithilfe dieser Messungen entwickelten die Autoren ein Reibungsmodell, das einfängt, wie dieses sedimentäre Gestein über einen weiten Bereich von Tiefen, Temperaturen und Gleitreten reagiert. Sie wendeten das Modell dann auf realistische Temperatur- und Druckprofile für die Kermadec-Subduktionszone und den Japan-Graben an. Die Berechnungen legen nahe, dass entlang der Platten-Schnittstelle, wo lawsonithführende Metasedimente vorkommen, ein breiter Tiefenbereich im instabilen, geschwindigkeits‑schwächenden Zustand verbleibt, selbst unterhalb der Krusten‑Mantel‑Grenze. Numerische Erdbeben-Zyklus‑Simulationen mit diesem Gesteinsverhalten erzeugen wiederkehrende tiefe Brüche mit Größen und Tiefen, die mit beobachteten Ereignissen in Japan und Kermadec vergleichbar sind, was darauf hindeutet, dass solche Gesteine tatsächlich große Megathrust‑Erdbeben im Mantelkeil‑Eck beherbergen können.

Was das für das Erdbebenrisiko bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernbotschaft: Die Tiefengrenze großer Subduktionsbeben wird nicht allein durch Temperatur oder das Erreichen des Mantels bestimmt. Sie hängt stark davon ab, welche Gesteine die Plattengrenze auskleiden und wie diese Gesteine während der Subduktion umgewandelt wurden. In kalten Zonen, in denen lawsonitreiche Metasedimente eine durchgehende Schicht entlang der Schnittstelle bilden, begünstigen die Bedingungen sprödes, instabiles Gleiten über einen deutlich größeren Tiefenbereich als bisher angenommen. Das bedeutet, dass einige Gräben potenziell unerwartet tiefe und starke Erdbeben erzeugen können und dass das Verständnis der unter der Platte verborgenen Gesteinsarten entlang der Schnittstellen für genauere seismische Gefährdungsabschätzungen unerlässlich ist.

Zitation: Zhang, H., Barbot, S., Yang, Z. et al. Large megathrust earthquakes in cold mantle wedge corners under lawsonite blueschist facies. Nat Commun 17, 4007 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70315-4

Schlüsselwörter: Subduktions-Megathrust, tiefe Erdbeben, Lawsonit-Blaufschiefer, Mantelkeil, Verkehrung der Verwerfung