Die offensichtliche Ursache des Tsunamis: Das Beben ereignete sich in einer Subduktionszone, in der die dem Pazifischen Ozean zugrunde liegende tektonische Platte versuchte, unter die angrenzende Kontinentalplatte zu rutschen, die Japan und andere Landmassen festhielt. Die Platten waren jahrhundertelang weitgehend aneinander geklebt und Druck aufgebaut worden. Schließlich gab etwas. Hunderte von Quadratmeilen Meeresboden taumelten plötzlich horizontal um etwa 160 Fuß und schoben sich um bis zu 33 Fuß nach oben. Wissenschaftler nennen dies einen Megathrust. Wie eine Hand, die unter Wasser in einer Badewanne kräftig winkte, breitete sich der Stich an die Meeresoberfläche aus und übersetzte sich in Wellen. Als sie sich flachen Küstengewässern näherten, konzentrierte sich ihre Energie und sie wurden größer. Der Rest ist Geschichte.
Aber die Wissenschaftler erkannten bald, dass sich etwas nicht summierte. Tsunami-Größen neigen dazu, Erdbebengrößen auf einer vorhersehbaren Skala zu spiegeln; Dieser erzeugte Wellen, die drei- oder viermal größer waren als erwartet. Nur wenige Monate später identifizierten japanische Wissenschaftler einen weiteren, höchst ungewöhnlichen Fehler etwa 30 Meilen näher an der Küste, der sich zusammen mit dem Megathrust bewegt zu haben schien. Dieser Fehler, so argumentierten sie, hätte den Tsunami vergrößern können. Aber wie genau es dazu kam, sich dort zu entwickeln, konnten sie nicht sagen. Eine neue Studie in der Fachzeitschrift Nature Geoscience gibt nun eine Antwort und mögliche Einblicke in andere Gebiete, in denen ein Risiko für übergroße Tsunamis besteht.
Die Autoren der Studie am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University untersuchten eine Vielzahl von Daten, die andere Forscher vor und nach dem Beben gesammelt hatten. Dazu gehörten topografische Karten des Meeresbodens, Sedimente aus Unterwasserbohrlöchern, und Aufzeichnungen von seismischen Schocks abgesehen vom Megathrust.
Bei dem fraglichen ungewöhnlichen Fehler handelt es sich um einen sogenannten Extensionsfehler, bei dem die Erdkruste eher auseinandergezogen als zusammengedrückt wird. Nach dem Megathrust bewegte sich das Gebiet um die Extensionsverwerfung etwa 200 Fuß seeweit, und eine Reihe von 10 bis 15 Fuß hohen Steilhängen war dort zu sehen, was auf einen plötzlichen, starken Bruch hindeutete. Das Gebiet um den Dehnfehler war auch wärmer als der umgebende Meeresboden, was auf Reibung durch eine sehr junge Bewegung hinweist; Das deutete darauf hin, dass der Dehnfehler beim Einschlag des Megathrusts losgerüttelt worden war. Dies wiederum hätte die Macht des Tsunamis erhöht.
Dehnungsfehler sind in der Tat häufig um Subduktionszonen herum – aber nur in ozeanischen Platten, nicht in den übergeordneten kontinentalen, wo diese gefunden wurde. Wie kam es dorthin? Und könnten solche gefährlichen Merkmale in anderen Teilen der Welt lauern?
Die Autoren des neuen Papiers glauben, dass die Antwort der Winkel ist, in dem die Ozeanplatte unter dem Kontinent taucht; Sie sagen, dass sie über Millionen von Jahren allmählich flacher geworden ist. „Die meisten Leute würden sagen, dass es der Megathrust war, der den Tsunami verursacht hat, aber wir und einige andere sagen, dass möglicherweise noch etwas anderes am Werk war“, sagte Lamont. student Bar Oryan, der Hauptautor des Papiers. „Neu ist, dass wir den Mechanismus erklären, wie sich der Fehler entwickelt hat.“
Die Forscher sagen, dass sich die ozeanische Platte vor langer Zeit in einem steileren Winkel nach unten bewegte und ziemlich leicht abfallen konnte, ohne den Meeresboden auf der übergeordneten Kontinentalplatte zu stören. Jede Extensionsverwerfung war wahrscheinlich auf die ozeanische Platte hinter dem Graben beschränkt – die Zone, in der sich die beiden Platten treffen. Dann, vielleicht vor 4 Millionen oder 5 Millionen Jahren, scheint der Subduktionswinkel abzunehmen. Infolgedessen übte die ozeanische Platte Druck auf Sedimente auf der Kontinentalplatte aus. Dies drückte die Sedimente in einen riesigen, subtilen Buckel zwischen dem Graben und Japans Küste. Sobald der Buckel groß und komprimiert genug war, musste er brechen, und das geschah wahrscheinlich, als das Megathrust-Beben die Dinge erschütterte. Die Forscher verwendeten Computermodelle, um zu zeigen, wie langfristige Veränderungen in der Neigung der Platte während eines Erdbebens große Veränderungen in der kurzfristigen Verformung hervorrufen könnten.
Es gibt mehrere Beweislinien. Zum einen zeigt Material aus Bohrlöchern vor dem Beben, dass Sedimente etwa in der Mitte zwischen dem Land und dem Graben nach oben gedrückt worden waren, während diejenigen, die näher am Land und am Graben waren, abgeklungen waren – ähnlich wie es passieren könnte, wenn man ein Blatt Papier flach auf einen Tisch legt und dann langsam von gegenüberliegenden Seiten hineindrückt. Auch Aufnahmen von Nachbeben in den sechs Monaten nach dem großen Beben zeigten Dutzende von Erdbeben vom Typ extensionaler Verwerfungen, die den Meeresboden über der Kontinentalplatte bedeckten. Dies deutet darauf hin, dass der große Dehnfehler nur der offensichtlichste ist; Überall wurde in kleineren, ähnlichen Beben in den umliegenden Gebieten Spannung freigesetzt, als sich der Buckel entspannte.
Darüber hinaus beherbergt Japan an Land zahlreiche Vulkane, die in einem sauberen Nord-Süd-Bogen angeordnet sind. Diese werden durch Magma angetrieben, das 50 oder 60 Meilen nach unten an der Grenzfläche zwischen der subduzierenden Platte und der Kontinentalplatte erzeugt wird. In den gleichen 4 Millionen bis 5 Millionen Jahren ist dieser Bogen nach Westen gewandert, weg vom Graben. Da die Magmaerzeugung tendenziell in einer ziemlich konstanten Tiefe stattfindet, Dies trägt zu dem Hinweis bei, dass der Subduktionswinkel allmählich flacher geworden ist, die magmaerzeugende Zone weiter ins Landesinnere schieben.
Der Lamont-Geophysiker und Koautor Roger Buck sagte, dass die Studie und die früheren, auf denen sie aufbaut, globale Auswirkungen haben. „Wenn wir herausfinden können, ob sich der Subduktionswinkel nach oben oder unten bewegt, und sehen, ob Sedimente die gleiche Art von Verformung erfahren, könnten wir besser sagen, wo diese Art von Risiko besteht“, sagte er. Kandidaten für eine solche Untersuchung wären Gebiete vor Nicaragua, Alaska, Java und andere in den Erdbebenzonen des Pazifischen Feuerrings. „Dies sind Bereiche, die für Millionen von Menschen wichtig sind“, sagte er.
