Das Tohoku-Erdbeben vom 11. März 2011 vor Japan ist nicht nur wegen seiner verheerenden Folgen einzigartig, es war auch tektonisch eine Besonderheit. Denn die Erdstöße waren selbst für ein sogenanntes Megathrust-Beben unerwartet stark. Sie rissen die vor der Ostküste Japans liegende Plattengrenze zwischen Pazifischer und Nordamerikanischer Erdplatte auf einer Länge von gut 400 Kilometern auf. Die Erschütterungen des Bebens waren im gesamten Pazifikraum zu spüren. Die Wellen des Tsunamis brachen sogar in der Antarktis Eisberge von einem Schelfeis ab - knapp 14.000 Kilometer vom Bebenherd entfernt.
Diese Karte zeigt das Epizentrum des Erdbebens vom 11. März 2011 sowie die Epizentren der Vor- und Nachbeben und ihre Magnitude. — © NASA/ GSFC, Earth Observatory
Wellenschub 13 Minuten nach dem Hauptbeben
Doch das ist nicht alles: Das Tohoku-Beben verursachte einen seismologischen Effekt, der noch nie zuvor beobachtet worden ist. Entdeckt haben dies Sunyoung Park von der University of Chicago und seine Kollegen, als sie Daten analysierten, die während und nach dem Starkbeben von den gut 1200 Messtationen des japanischen Erdbeobachtungs-Messnetzes GEONET aufgezeichnet worden waren. Dabei zeigte sich eine Wellenfront, die aus den normalen Nachbeben herausstach.
Rund 13 Minuten nach dem Hauptschock des Tohoku-Bebens registrierten alle japanischen Messstationen einen Puls von starken, besonders langwelligen Scherwelle - quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingenden Bebenwellen. Deren Stärke entsprach der Magnitude 7,5 – sie waren damit etwa so stark wie die heftigsten Nachbeben des Starkbebens. Ungewöhnlich auch: „Diese Welle traf in ganz Japan nahezu gleichzeitig ein, die Abstände lagen bei weniger als 40 Sekunden“, berichten die Seismologen. Selbst in China wurden die Wellen registriert.
Versatz über zwei Plattengrenzen hinweg
Dieser Wellenpuls hatte unerwartete Folgen, denn er verschob ganz Japan nach Osten. Die gesamte japanische Landmasse verlagerte sich um bis zu 5,5 Millimeter ostwärts, wie GPS-Messungen zeigten. „Dieser Versatz überspannt zwei Plattengrenzen und hat die längste Bruchfläche, die je bei einem Einzelereignis dokumentiert wurde“, berichten Park und sein Team. „Die Gesamtlänge von rund 3000 Kilometern entspricht dem von ganz Festland-Japan und übertrifft den vom Hauptbeben verursachten Bruch um das Sechs- bis Siebenfache.“
Zwar sind Verschiebungen von Erdplatten bei Starkbeben nicht ungewöhnlich. Aber normalerweise sind nur Gebiete entlang der aufgerissenen Verwerfung betroffen. Nicht so in diesem Fall: „Selbst die nördlichsten und südlichsten Regionen, die 700 und 1300 Kilometer vom Gebiet des Hauptbebens entfernt liegen, zeigten noch einen Versatz von zwei bis drei Millimetern“, schreiben die Forscher. „Wie ist ein solcher simultaner Versatz über mehrere Plattengrenzen hinweg zu erklären?“
Einmal zum Erdkern und zurück
Die Antwort lieferten nähere Analysen des ungewöhnlichen Scherwellen-Pulses. Sie enthüllten, dass diese seismischen Wellen nicht direkt vom Epizentrum des Erdbebens kamen, sondern aus dem tiefen Erdinnern. Sie waren vom Bebenherd bis zum äußeren Erdkern gerast und wurden dann dort reflektiert. „Typischerweise sind solche kernreflektierten Scherwellen stark abgeschwächt, nachdem sie fast 6000 Kilometer zum Erdkern und zurückgereist sind“, erklären Park und seine Kollegen.
Doch das Tohoku-Beben war so stark und der Winkel so günstig, dass die Scherwellen des Hauptbebens nahezu senkrecht zum Kern liefen und auf kürzestem Wege wieder zurück zur Erdoberfläche, wie das Team erklärt. Dadurch behielten sie einen Großteil ihrer ursprünglichen Energie und die Wellenfront traf Japan direkt von unten und überall fast zeitgleich. Dieser Schock riss dann die Plattengrenzen entlang des gesamten Landes auf und verursachte den Ostwärts-Sprung Japans.
Bislang einmalig
„Dies ist das erste Mal, dass kernreflektierte Scherwellen als Auslöser eines solchen Ereignisses beobachtet wurden“, schreiben Park und seine Kollegen. Sie vermuten, dass die Kombination aus ungewöhnlich starkem Hauptbeben, starken Nachbeben und diesen Scherwellen zu dieser außergewöhnlichen tektonischen Reaktion führte. Hinzu kam, dass die kernreflektierten Scherwellen in eine Richtung schwangen, die fast parallel zu den Plattengrenzen verlief – dies verstärkte ihre Wirkung.
Nach Ansicht der Forscher beleuchten ihre Erkenntnisse eine zuvor unerkannte Quelle seismischer Gefahren. Denn kernreflektierte Scherwellen können nicht nur ganze Länder verschieben. Die Energie dieser Bebenwellen könnte auch angrenzende Verwerfungen reaktivieren und so weitere, möglicherweise noch stärkere Folgebeben auslösen. „Unserer Beobachtungen unterstreichen diese potenzielle Gefahrenquelle für das Bebengebiet und umgebende Regionen – selbst Dutzende Minuten nach dem Hauptbeben“, so das Team.
Quelle: Sunyoung Park (University of Chicago) et al., Science, 2026; doi: 10.1126/science.aec4190
