Alaska – unterirdisch! - wissenschaft.de
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Alaska – unterirdisch!

Eine großflächige seismische Erkundung soll klären, warum es im Norden Nordamerikas immer wieder zu heftigen Erdbeben und Vulkanausbrüchen kommt.

Niemand kann sich daran erinnern, woher der Name „Poker Flat“ stammt. Zum Kartenspielen lädt diese öde Ebene gut 50 Kilometer nördlich von Fairbanks jedenfalls nicht ein. Im Sommer schwärmen dort die Mücken, und im Winter pfeift oft ein eisiger Wind über die tiefgefrorene, konturlose Fläche, die nur wenig südlich des Polarkreises liegt. Vielleicht haben sie amerikanische Seismologen so getauft, die in den vergangenen Jahren mit motorbetriebenen Schneckenbohrern Dutzende von Löchern in den schwarzen Boden dort getrieben haben. Denn im Englischen wird das Bohren ins Erdreich auch als „poking a hole in the ground“ bezeichnet.

Die bis zu zehn Meter tiefen Löcher bereiten ein für den nördlichsten amerikanischen Bundesstaat einmaliges geowissenschaftliches Experiment vor. In den kommenden drei Jahren werden Seismologen Alaska und einen Teil der benachbarten kanadischen Arktisprovinz Yukon mit einem Netz von 300 Seismometern überziehen. Ziel dieses umgerechnet über 25 Millionen Euro teuren Forschungsprojektes ist es, endlich zu verstehen, warum es in Alaska immer wieder zu schweren Erdbeben und verheerenden Vulkanausbrüchen kommt.

Angelehnt ist das ehrgeizige Projekt an das „US-Array“, ein transportables Seismometernetz, mit dem Forscher in den vergangenen zehn Jahren das amerikanische Festland vom Pazifik bis an die Atlantikküste überquert haben. Insgesamt kamen dabei 400 Seismometer zum Einsatz, die in einem regelmäßigen Muster im Abstand von etwa 70 Kilometern voneinander aufgestellt wurden.

Begonnen hatte das Experiment in den Westküstenstaaten Kalifornien, Oregon und Washington. Nach etwa zweijähriger Datenerhebung wurden die Messgeräte am westlichen Rand des Netzes abgebaut und östlich davon wieder aufgestellt. Wie beim Bockspringen rückte das US-Array auf diese Weise immer weiter nach Osten und erreichte im vergangenen Jahr die Atlantikküste.

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Weil die Seismometer dabei die Bodenerschütterungen kontinuierlich aufzeichneten, entstand ein unvergleichlicher Datenschatz. Die Geräte erfassten nicht nur lokale und regionale Erdbeben unter dem amerikanischen Kontinent, sie registrierten auch seismische Wellen von Beben aus allen Teilen der Welt. Per Computer lassen sich die dabei entstehenden digitalen Seismogramme zu Tomogrammen zusammensetzen – wie Röntgenaufnahmen in der Medizin –, aus denen dann ein dreidimensionales Bild des Erdinneren unter den Vereinigten Staaten entsteht.

Doch der Aufbau und der Betrieb eines solchen Netzes in Alaska stellt völlig andere Anforderungen, sagt der Seismologe Bob Busby, der das US-Array vom ersten Tag an betreute und nun auch für das Alaska-Array zuständig ist. Da sind zunächst die seismischen Instrumente, die unter den harschen Bedingungen des arktischen Winters ebenso gut funktionieren müssen wie im Sommer, wenn die Tundra zu einer schlammigen Masse auftaut.

Um die verschiedenen Geräte der Hersteller unter realistischen Bedingungen Alaskas zu testen, zogen Busby und seine Kollegen vom amerikanischen Seismometerpool an der Technischen Hochschule von New Mexico in die Poker Flat. Sie versenkten dort die Seismometer in die Löcher und werteten die Daten aus. Und sie probierten verschiedene Verfahren aus, um die empfindlichen Messinstrumente vor dem direkten Einfluss der wechselnden Temperaturen zu schützen. Denn moderne Seismometer sind Präzisionsgeräte, die noch Bodenschwingungen von wenigen Nanometern (millionstel Millimeter) aufzeichnen. Werden sie falsch aufgestellt oder starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, sind ihre Messergebnisse wertlos.

Die Techniker, die das Seismometernetz aufbauen und erhalten, stehen vor enormen logistischen Problemen. Nur wenige Stationen sind per Auto zu erreichen, denn Alaska ist noch immer eine fast straßenlose Wildnis. Man ist auf Buschpiloten und Hubschrauber angewiesen, um die Geräte an ihre Position zu bringen.

Auch die Stromversorgung ist ein Problem, da die üblicherweise verwendeten Solarzellen wenig nützen. Denn selbst an Sommertagen verdunkeln oft Wolken den Himmel, und in der Polarnacht gibt es so gut wie kein Licht. Busby wird eine Kombination aus langlebigen Batterien, Solarzellen und kleinen Windgeneratoren nutzen, um die Seismometer wartungsfrei zu betreiben. In diesem Sommer haben die Forscher die ersten Stationen des Netzes aufgestellt, darunter auch eine in der Poker Flat. Ihre Daten fließen in Echtzeit ins Array-Datenzentrum an der Universität von Kalifornien in San Diego.

Der große Tag kommt im Herbst 2017

Busbys großer Tag soll im Herbst des Jahres 2017 kommen, wenn hoffentlich alle 300 geplanten Stationen aufgestellt sind. Dann stünde Geowissenschaftlern eine für den hohen Norden einzigartige Antenne für seismische Wellen zur Verfügung. Aus deren Aufzeichnungen lässt sich eine dreidimensionale geologische Karte des Erdinneren unter Alaska gewinnen. Zwar haben Ölgesellschaften mit seismischen Methoden schon ein sehr genaues Bild von den an Kohlenwasserstoffen reichen Sedimentbecken nördlich der Brooks Range sowie von der angrenzenden Beaufortsee. Dabei wurden aber nur vergleichsweise flache, kaum mehr als fünf Kilometer tief reichende Schichten der Erdkruste erfasst.

Mit dem Alaska-Array wird es dagegen möglich sein, auch die tiefe Erdkruste und den oberen Erdmantel großräumig zu durchleuchten. Das wiederum könnte endlich verraten, wie die verschiedenen Gebirgszüge in Alaska entstanden sind und wie tief die Wurzeln der Gebirge reichen. Beispielsweise des Denali – der früher „Mount McKinley“ hieß – in der Alaska Range, dem mit 6194 Meter höchsten Berg Nordamerikas. Außerdem hoffen Geowissenschaftler eine Antwort darauf zu finden, ob Alaska wie ein Mosaik aus sogenannten Terranen zusammengesetzt ist – Fragmenten der Erdkruste, die wie Treibholz auf den großen tektonischen Platten driften und sich über Jahrmillionen ans Festland anlagern können.

Ein ebenso wichtiger Grund, das Großexperiment Alaska-Array zu wagen, ist die Untersuchung von Erdbeben. Denn in keinem anderen Bundesstaat der Vereinigten Staaten gibt es so viele Erdbeben wie in Alaska. Dabei ist die Seismizität dort – im Gegensatz zu der Erdbebentätigkeit in Kalifornien – nicht nur auf eine schmale Zone entlang einer Verwerfung beschränkt. Ein Blick auf die Erdbebenkarte Alaskas (siehe S. 53) zeigt, dass es dort jederzeit nahezu überall zu signifikanten Beben kommen kann. In Anchorage, der größten Stadt im Bundesstaat, ist das seismische Risiko besonders hoch. Noch heute sieht man dort die Spuren des berüchtigten Karfreitagsbebens von 1964. Mit einer Magnitude von 9,2 ist es das zweitstärkste je mit Instrumenten gemessene Beben der Welt. Das schwerste Beben mit einer Magnitude von 9,5 hatte vier Jahre zuvor den Süden Chiles erschüttert.

Von Erdbeben hatte er keine Ahnung

Weil es damals in Alaska kaum Fachleute für Erdbeben gab, schickte der Geologische Dienst der Vereinigten Staaten (USGS) noch am Ostersamstag den jungen Geologen George Plafker nach Anchorage. Er kannte sich zwar in Alaska gut aus, weil er einige Jahre zuvor als Lagerstättenkundler Teile des Bundesstaates kartiert hatte. Doch von Erdbeben, erklärt der heute 85-Jährige, hatte er damals keine Ahnung. Trotzdem gelang ihm bei der Aufnahme der Bebenschäden und der Veränderungen in der Landschaft südlich von Anchorage eine aufsehenerregende Entdeckung: In einigen Gebieten, so stellte er fest, war der Boden nach dem Beben um bis zu zwei Meter gesunken, an anderen Stellen hatte er sich dagegen um zehn Meter und mehr gehoben.

Die Verschiebungen folgten einem klaren Muster. In Küstennähe gab es ausschließlich Hebungen, weiter im Inland nur Absenkungen. Und diese Bewegungen waren nicht auf ein paar kleine Areale beschränkt. Insgesamt zeigte ein knapp 250 000 Quadratkilometer großes Gebiet dieses Muster — das entspricht immerhin der Fläche der alten Bundesrepublik.

Zunächst konnte sich Plafker nicht erklären, wieso es auf einer derart großen Fläche zu diesen erheblichen Höhenbewegungen gekommen war. Als er jedoch einige Tage später über die damals noch völlig neue und sehr umstrittene Hypothese der Plattentektonik nachdachte, ging ihm plötzlich ein Licht auf. Im Tiefseegraben im Golf von Alaska sollten die Pazifische Platte und die Nordamerikanische Platte zusammenstoßen. Dabei sollte die pazifische Platte unter den Kontinent abtauchen. Diesen Vorgang bezeichnen Geowissenschaftler als Subduktion. Klar war, dass die vorhergesagten Plattenverschiebungen nicht wie geschmiert gleichmäßig und ruckfrei ablaufen konnten. In den Kollisionszonen sollten sich die Platten vielmehr ineinander verhaken – und es sollte immer dann zu Erdbeben kommen, wenn die verhakten Platten aufbrechen.

Der große Knall

Plafker erkannte, dass das von ihm kartierte Verschiebungsmuster genau zu der von der Hypothese vorhergesagten Plattenbewegung passte. Demnach hatte sich die Pazifische Platte bei der Subduktion unter dem Kontinent verhakt, wodurch auch die Nordamerikanische Platte nach unten gebogen wurde. Das führte im Laufe der Jahrzehnte in der Nähe des Tiefseegrabens, also an der Küste, zu einer großräumigen Senkung. Um diese Senkung auszugleichen, hob sich das Hinterland.

Als sich nun die verhakten Platten in dem gewaltigen Erdbeben plötzlich voneinander lösten, glitt die Pazifische Platte binnen Sekunden einige Meter weit in die Subduktionszone. Vom Druck befreit sprang gleichzeitig die Nordamerikanische Platte wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück. Als Folge hob sich die Gegend entlang der Küste, während sich das Hinterland absenkte.

Mit diesen Überlegungen gelang Plafker nicht nur der erste Beweis, dass Plattentektonik und Erdbeben eng miteinander zusammenhängen. Er entdeckte auch den heute als „Megathrust“ bezeichneten Mechanismus, dem alle großen Subduktions-Erdbeben folgen, so auch das schwere Sumatra-Beben vom 2. Weihnachtstag 2004 (Magnitude 9,1) oder das Tohoku-Beben vor Japan am 11. März 2011 (Magnitude 9,0). Unter „Thrust“ verstehen Geowissenschaftler generell die schnelle Aufwärtsbewegung einer der beiden Flanken einer Erdbebenverwerfung. Bei einem Megathrust-Erdbeben ist das in Sekundenschnelle bewegte Gesteinsvolumen besonders groß – und die Erschütterungen sind besonders stark.

Inzwischen weiß man, dass sich die Pazifische Platte im Aleutengraben mit einer Geschwindigkeit von etwa acht Zentimetern pro Jahr unter Nordamerika schiebt. Der Graben schwingt sich in einem eleganten, fast 3500 Kilometer langen Bogen vom Grenzgebiet zwischen Alaska und Kanada im Osten bis zu den Kurileninseln im Westen. Er gehört damit zu den längsten Tiefseegräben der Welt.

Schon an Land richtete das Beben von 1964 große Schäden an, doch die Küstenstädte im Prince-William-Sound und entlang des Golfs von Alaska traf es noch mehr. Von den 139 Menschen, die umkamen, wurden fast zwei Drittel Opfer der verschiedenen Tsunamis, die das Beben ausgelöst hatte. Die Shoup-Bay in der Nähe der Ortschaft Valdez am Ostufer des Prince-William-Sound hält bis heute den Rekord für den höchsten je gemessenen Tsunami der Welt. Die Monsterwelle des Karfreitagsbebens erreichte dort eine Höhe von 67 Metern.

Große Hoffnungen in das Alaska- Array setzt auch Paul Whitmore, seit zwölf Jahren Direktor des von der amerikanischen Behörde für Ozean und Atmosphäre (NOAA) betriebenen Tsunami-Warnzentrums in Palmer, 30 Kilometer nordöstlich von Anchorage. Zwar unterhält das Tsunami-Warnzentrum sein eigenes Seismometernetz und greift auch auf Daten des amerikanischen geologischen Dienstes USGS zurück, um küstennahe Seebeben zu erfassen und das Risiko für Tsunamis zu berechnen. Whitmore erwartet aber, dass die aus den Daten des Alaska-Arrays berechneten dreidimensionalen Modelle der Erdkruste seinem Zentrum helfen werden, Erdbebenherde noch genauer als bisher zu lokalisieren. Das wiederum würde die Berechnungen der Laufzeiten der zerstörerischen Meereswellen verbessern – und damit die Frühwarnzeiten verkürzen.

Mehr Magma als beim Pinatubo

Georisiken gehen in Alaska aber nicht nur von Erdbeben und Tsunamis aus. Auch die 90 in den vergangenen 10 000 Jahren aktiven Vulkane des Bundesstaates sind gefährlich. Tatsächlich fand die schwerste Vulkaneruption im 20. Jahrhundert in Alaska statt. 1912 brach der Novarupta-Vulkan auf der Alaska-Halbinsel aus. In drei, insgesamt zweieinhalb Tage dauernden Ausbruchsphasen spie der Vulkan über 13 Kubikkilometer Magma. Das ist weitaus mehr als im Jahre 1991 beim Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen aus dem Krater geschleudert wurde.

Weil es vor 102 Jahren aber keine unmittelbaren Augenzeugen der Eruption in Alaska gab, wurde lange Zeit ein ande- rer Feuerberg verdächtigt, nämlich der Mount Katmai. Die beiden Vulkane liegen nur zehn Kilometer voneinander entfernt. Zu dem Missverständnis kam es, weil ein Teil des Katmai während des Ausbruchs des Novarupta kollabierte. Offenbar hingen die unterirdischen Magmakammern der beiden Vulkane zusammen. Der Novarupta spuckte damals auch Magma, das aus der Kammer unter dem Katmai stammte.

Es ist geplant, einige Elemente des Alaska-Arrays in der Nähe aktiver Vulkane aufzustellen. Unter anderem soll eine Station am Novarupta errichtet werden. Andere Seismometer werden auf den meist unbewohnten Aleuten-Inseln stehen und das dort recht dünne Überwachungsnetz des Alaska-Vulkanobservatoriums ergänzen.

Auf den Aleuten herrschen noch extremere Wetterbedingungen als auf dem Festland von Alaska. Die Inseln werden immer wieder von Orkanen, Sturmfluten und Eisregen gepeinigt. Bricht dort wieder einmal ein Vulkan aus, legt sich oft eine dicke Ascheschicht über die ganze Insel und lässt beim nächsten Regen glitschigen Schlamm entstehen. Es wird sich zeigen, ob die bei den Versuchen auf der Poker Flat gesammelten Erfahrungen ausreichen, damit die Stationen des Alaska- Arrays auch unter solchen Extrembedingungen gut funktionieren. •

HORST RADEMACHER ist Geophysiker und Journalist. Er arbeitet in Kalifornien als Korrespondent für die FAZ. bdw-Leserreisende kennen ihn als gewandten Referenten.

von Horst Rademacher

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