Feinstruktur der Platte und Mechanismus tiefer Erdbeben unter Zentrale-Japan

Erdbeben an Orten, an denen Gestein nicht brechen sollte

Die meisten Erdbeben treten nahe der Erdoberfläche auf, wo kaltes, sprödes Gestein reißen kann. Dennoch grollen einige der stärksten Erschütterungen Hunderte Kilometer tief, in Regionen, die so heiß und stark zusammengedrückt sind, dass Gestein eher fließen als brechen sollte. Diese Studie blickt tief unter Zentrale-Japan, um die verborgene Struktur einer absinkenden ozeanischen Platte zu kartieren, und zeigt, wie feine Unterschiede in Mineralien und Spuren von Wasser diese rätselhaften Tiefenbeben auslösen können.

Eine belebte Nachbarschaft tief unter Japan

Zentrale-Japan liegt an einem geologischen Knotenpunkt, an dem mehrere tektonische Platten kollidieren und untereinander abtauchen. Ein alter, kalter Abschnitt des pazifischen Meeresbodens taucht unter Japan ein und bildet eine gigantische Platte, die in den Erdmantel sinkt. Da Japan mit empfindlichen Seismometern dicht überwacht wird und über Jahrzehnte hochwertige Erdbebendaten vorliegen, ist diese Region ein ideales natürliches Labor, um zu untersuchen, wie und wo tiefe Erdbeben innerhalb der subduzierten Platte auftreten.

In eine sinkende Platte hineinschauen

Die Autoren analysierten 572 Erdbeben in Tiefen über 300 Kilometern, aufgezeichnet von mehr als hundert seismischen Stationen. Mit einer fortschrittlichen Bildgebungs­methode namens Double-Difference-Tomographie verfolgten sie, wie schnell verschiedene Arten seismischer Wellen durch die Platte laufen. Schwankungen der Wellengeschwindigkeit weisen auf Veränderungen in den Gesteinseigenschaften hin, ähnlich wie eine medizinische CT-Aufnahme Strukturen im menschlichen Körper offenlegt. Die neuen Bilder zeigen einen auffälligen Geschwindigkeitsabfall innerhalb der pazifischen Platte in Tiefen von etwa 330 bis 380 Kilometern, eingebettet zwischen schnelleren Bereichen darüber und darunter. Dieses dreischichtige Muster ist deutlich feiner, als frühere Modelle auflösen konnten.

Zunge einer verzögerten Umwandlung im Verborgenen

Zur Interpretation dieser Muster konzentriert sich die Studie auf Olivin, ein häufiges grünes Mineral, das den oberen Erdmantel dominiert. Unter hohem Druck sollte Olivin in dichtere Kristallformen umwandeln. In sehr kalten Platten kann diese Umwandlung jedoch verzögert sein und einen Kern aus „nicht im Gleichgewicht“ befindlichem Olivin hinterlassen, bekannt als metastabiles Keil. Die tomographischen Ergebnisse passen zu dieser Vorstellung: Die mittlere Niedriggeschwindigkeits-Schicht markiert wahrscheinlich eine zungenförmige Zone, in der Olivin aktiv umgewandelt wird, während die Schichten darüber und darunter stabilere Mineralformen enthalten. Feine Unterschiede in den Wellengeschwindigkeiten deuten außerdem darauf hin, dass geringe Wassermengen um diese metastabile Zone vorhanden sind, selbst in diesen extremen Tiefen.

Wasser, Druck und runaway-Bruch

Das Team untersuchte außerdem, wie die Platte durch Analyse vieler Erdbeben-Fokalmechanismen gestreckt und zusammengedrückt wird, die aufzeichnen, wie sich jedes Ereignis verschob. In mittleren Tiefen wird die Platte überwiegend gedehnt, was mit früheren Studien übereinstimmt, die Erdbeben dort mit dem Zerfall wasserreicher Minerale in Verbindung bringen. Unterhalb von etwa 300 Kilometern kehrt sich jedoch die Spannung: Die Platte wird längs zusammengedrückt. In diesem tieferen Bereich argumentieren die Autoren, kollabieren winzige Olivinbereiche am Rand des metastabilen Keils plötzlich unter Kompression zu dichteren Mineralen und bilden „Antirisse“, die sich zu Störungsflächen verbinden können. Kleine Erdbeben dürften am Rand des Keils beginnen, wo einige wasserführende Minerale dehydrieren und diese Umwandlung beschleunigen. Wenn sich diese Brüche ausdehnen, können sie in das trockenere Innere des Keils und sogar darüber hinaus vordringen und größere Tiefenbeben erzeugen.

Warum diese tiefen Beben wichtig sind

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass tiefe Erdbeben unter Zentrale-Japan am besten durch einen kombinierten Prozess erklärt werden: Mineralumwandlungen in einem kalten, metastabilen Olivinkeil, verstärkt durch Dehydration in großer Tiefe und gesteuert durch die Spannungsverhältnisse in der Platte. Diese Arbeit liefert eines der klarsten Bilder dieses verborgenen Keils und seiner inneren Schichtung und verknüpft Mineralphysik, Wasser im tiefen Erdinneren und reale Erdbebenmuster. Zwar können die Details in anderen Subduktionszonen variieren, doch die Ergebnisse bringen die Forschung einem allgemeineren Verständnis näher, wie Gestein an Orten brechen kann, an denen es nach gewöhnlichen Regeln eigentlich nur biegen sollte.

Zitation: Zhang, X., Jiang, G., Zhao, D. et al. Fine slab structure and mechanism of deep earthquakes beneath central Japan. Commun Earth Environ 7, 256 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03280-x

Schlüsselwörter: Tiefenbeben, Subduktionszonen, Japan-Graben, metastabile Olivinge, seismische Tomographie