Enthüllung von Erdbeben: Rücksetzung des Thermolumineszenzsignals einer natürlichen polymineralischen Probe in im Labor erzeugtem Störungsbrekzien

Warum leuchtende Gesteine für Erdbeben wichtig sind

Wenn ein Erdbeben eintritt, reiben Gesteine tief unter unseren Füßen aneinander. In diesem kurzen Moment kann intensive Reibung das zermalmte Gesteinspulver entlang der Verwerfung erwärmen und verändern. Einige Minerale in diesen Gesteinen speichern über die Zeit hinweg ein winziges „Leuchten“, das durch natürliche Strahlung entsteht; Erwärmung kann dieses Leuchten löschen und neu schreiben. Wenn Forschende ablesen können, wann dieses Leuchten zuletzt zurückgesetzt wurde, lässt sich die Zeit früherer Erdbeben datieren – auch solcher, die lange vor der schriftlichen Überlieferung stattfanden. Diese Studie untersucht, ob dieses Leuchten beim Gleiten tatsächlich vollständig ausgelöscht wird und wie schwierig es ist, die spezifischen Bereiche einer Verwerfung zu finden, in denen dies passiert.

Wie Gesteine das Ticken geologischer Zeit aufzeichnen

In tektonisch aktiven Regionen reißen große Erdbeben über Hunderte bis Tausende von Jahren wiederholt dieselben Verwerfungen auf. Jeder starke Verriss zermalmt das umgebende Gestein zu einem feinen Pulver, das man Störungsbrekzie nennt. In den langen Zeiträumen zwischen Erdbeben füllt natürliche Strahlung langsam Defekte in den Mineralen dieser Brekzie mit gespeicherter Energie, wie winzige Batterien, die im Dunkeln aufgeladen werden. Wenn stark genug erhitzt, entleeren sich diese Fallen und setzen Licht frei – ein Phänomen, das Thermolumineszenz (TL) genannt wird. Durch Messung der gespeicherten Energie können Forschende abschätzen, wann das Material zuletzt erhitzt wurde. Die Herausforderung besteht darin, dass nicht jedes Körnchen entlang einer Verwerfung während eines Erdbebens dieselbe Reibungserwärmung erfährt, sodass die „Uhr“ an einigen Stellen vollständig zurückgesetzt, an anderen nur teilweise gelöscht wird.

Eine Verwerfung im Labor nachbilden

Um dieses Problem zu untersuchen, stellten die Autoren Verwerfungsrutschungen in einer kontrollierten Laborumgebung nach. Sie entnahmen intaktes Gestein in der Nähe der North Tehran Fault im Iran, zerkleinerten einen Teil davon zu feinem Pulver ohne chemische Behandlung und löschten zunächst seine TL-Erinnerung durch Erhitzen im Ofen. Anschließend verabreichten sie der Probe eine bekannte Strahlendosis, sodass jedes Korn mit einem sorgfältig kalibrierten Leuchten begann. Dieses vorbereitete Material wurde zwischen zwei Metallringen in eine Rotationsscher-Vorrichtung gelegt, die die Probe unter Druck setzt und verdreht, um die Mahlbewegung entlang einer natürlichen Verwerfung zu imitieren. Während mehrerer Experimente applizierten die Forschenden eine moderate Verrissgeschwindigkeit (0,05 Meter pro Sekunde) und hohen Normaldruck (12 Megapascal) – Bedingungen, die flachen Krustenbereichen ähneln –, während eine Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera durch ein Saphirfenster den Temperaturanstieg beobachtete.

Heiße Stellen, die winzig und schwer zu finden sind

Die Thermobilder zeigten, dass die Erwärmung während des Gleits alles andere als gleichmäßig war. In einem Experiment erreichte ein schmaler Streifen von weniger als einem Millimeter Breite nahezu 300 °C, theoretisch heiß genug, um das für die Erdbebendatierung relevante TL-Signal vollständig zu löschen. Der größte Teil der umgebenden Brekzie blieb jedoch deutlich kühler, oft unter etwa 200 °C. Kleine Unterschiede darin, wie die Probe den rotierenden Metallring berührte oder wie Körner in Spalten gepresst wurden, erzeugten starke Temperaturspitzen und -flecken. Nach dem Experiment trennt das Team mühsam die hellsten und am stärksten verformten Zonen von schwächer gestörtem Material, doch unter schwachem rotem Licht war die entscheidende dünne Gleitschicht schwer sauber zu isolieren.

Das schwache Leuchten erhitzter Körner lesen

Im Lumineszenzlabor verglichen die Forschenden das Leuchten der gescherzten Proben mit dem des ursprünglichen, ungescherzten Referenzmaterials. Sie erhitzten schrittweise kleine Teilproben erneut und maßen das bei verschiedenen Temperaturen freigesetzte Licht. Der Haupt-TL-Peak, der als Datierungssignal genutzt wird und bei etwa 160–180 °C liegt, wurde in der stärksten Scherbrekzie um bis zu etwa die Hälfte reduziert und in dem gemischten Material etwas weniger. Das zeigte, dass der Laborrutsch das gespeicherte Signal teilweise – aber nicht vollständig – zurückgesetzt hatte. Bei höheren Temperaturen änderte sich das Leuchtemuster jedoch anders. Ein Hochtemperaturmerkmal in der Nähe von etwa 520 °C wurde in den gescherzten Proben heller, was darauf hindeutet, dass die Reibungserwärmung die Minerale selbst oder ihre Strahlungsempfindlichkeit dauerhaft verändert hat.

Was das für die Datierung alter Erdbeben bedeutet

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst wenn kurzfristig genug Wärme erzeugt wird, um die TL-Uhr zurückzusetzen, diese Wärme auf extrem schmale Gleitsbereiche innerhalb der Störungsbrekzie beschränkt ist. In der Natur sollten höhere Gleitsgeschwindigkeiten als im Labor erreichbare dazu führen, dass die Erwärmung das TL-Gedächtnis über größere Gesteinsvolumina hinweg löscht, sodass die Datierung von Brekzien prinzipiell zuverlässige Alter für frühere Erdbeben liefern kann. Die Studie zeigt jedoch auch, dass, sofern Geologen nicht genau aus den dünnsten, heißesten Lagen Proben entnehmen, die mitvermischten kühleren Körner das Signal verwässern und Erdbeben älter erscheinen lassen, als sie tatsächlich sind. Gleichzeitig bietet die neu beobachtete Aufhellung eines Hochtemperatur-Leuchtmerkmals einen möglichen Fingerabdruck dafür, wo die Reibungserwärmung am größten war. Mit weiterer Forschung könnte dieses subtile Leuchtemuster künftige Probenahmen leiten und unsere Fähigkeit verbessern, die verborgene Erdbebengeschichte in zermalmten Gesteinen zu entziffern.

Zitation: Heydari, M., Kreutzer, S., Hung, CC. et al. Unveiling earthquakes: thermoluminescence signal resetting of a natural polymineral sample in laboratory-produced fault gouge. Sci Rep 16, 12746 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47125-1

Schlüsselwörter: Datierung von Störungsbrekzien, Thermolumineszenz, Erdbebengeschichte, Reibungserwärmung, North Tehran Fault