Forscher des Forschungszentrums Jülich und der Universität des Saarlandes haben eine bahnbrechende Entdeckung gemacht, die unser Verständnis von Erdbeben und den zugrunde liegenden geophysikalischen Prozessen grundlegend verändern könnte. Ihre Studien zeigen, dass die Bewegung von tektonischen Platten nicht nur durch mechanische Reibung beeinflusst wird, sondern auch durch einen sogenannten „Klebeeffekt“, der durch chemische Bindungen zwischen den Gesteinsoberflächen hervorgerufen wird.
In der Erdkruste bewegen sich massive Gesteinsplatten ständig, doch die genauen Mechanismen, die diese Bewegungen antreiben und die zu Erdbeben führen, sind bislang nur unzureichend verstanden. Bisherige Modelle basierten hauptsächlich auf der Annahme, dass Reibung und Abrieb zwischen rauen Oberflächen zu den plötzlichen Bewegungen führen, die Erdbeben auslösen. Diese Annahmen erwiesen sich jedoch als unvollständig.
Die neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Gesteinskörner sich nicht einfach verhaken oder aneinander reiben, sondern vielmehr „verkleben“. Dr. Bo Persson, einer der Hauptautoren der Studie, erklärt, dass an mikroskopischen Kontaktstellen zwischen den Gesteinen chemische Bindungen entstehen, die die Gesteinsoberflächen wie ein Klettverschluss zusammenhalten. Wenn sich die Platten bewegen, brechen diese Bindungen auf und erzeugen Reibung, die Energie erfordert.
Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, um die Reibung zwischen Granitoberflächen zu untersuchen. Diese Versuche zeigten, dass der Abrieb nicht der entscheidende Faktor für die Reibung ist. Stattdessen wurde festgestellt, dass die chemische Bindung und das Aufbrechen dieser Bindungen der Hauptgrund für die Reibungsverluste sind. Interessanterweise wurde auch ein Größeneffekt beobachtet: In kleineren Systemen erfolgt das Aufbrechen der Bindungen gleichmäßiger, während in größeren Systemen einige Bereiche sich schneller lösen als andere, was den Widerstand gegenüber Bewegungen verringert.
Zur Unterstützung dieser experimentellen Ergebnisse wurden computergestützte Simulationen durchgeführt. Professor Martin Müser und sein Team an der Universität des Saarlandes haben über Jahre hinweg die Reibung unter extremen Bedingungen untersucht. Ihre Simulationen bestätigten die Hypothese, dass das Aufbrechen von chemischen Bindungen die Hauptursache für die Reibung ist, während auch andere Faktoren wie Materialverformung und lokale Erwärmung eine Rolle spielen.
Diese neuen Erkenntnisse haben weitreichende Implikationen für unser Verständnis von Erdbeben. Bisherige Modelle gingen davon aus, dass sich Spannungen über lange Zeiträume aufbauen, bis sie plötzlich in einem Bruch entladen werden. Das neue Modell zeigt jedoch, dass die Bewegung der Platten bereits viel früher beginnt. Statt in einem Zustand vollständiger Ruhe zu verharren, bewegen sich die Platten ständig, wenn auch extrem langsam, was als „Kriechen“ bezeichnet wird. Diese kontinuierlichen Bewegungen führen dazu, dass chemische Bindungen ständig aufbrechen und sich neu bilden.
Wenn die Geschwindigkeit der Bewegung zunimmt, erhöht sich zunächst die Reibung. Erreicht die Bewegung jedoch eine kritische Schwelle, kann das System nicht mehr mit der Erneuerung der Bindungen Schritt halten, und die Reibung sinkt. Dies könnte der Moment sein, in dem sich das Kriechen in schnelleres Gleiten verwandelt, was als ein möglicher Auslöser für Erdbeben angesehen werden könnte.
Diese Forschung könnte die Grundlage für die Entwicklung verbesserter Modelle zur Vorhersage von Erdbeben darstellen. Ein besseres Verständnis der Reibung und der Bewegungsmechanismen in der Erdkruste könnte entscheidend sein, um zukünftige Erdbeben besser vorherzusagen und die damit verbundenen Risiken zu minimieren.
Dr. Bo Persson, ein Pionier auf dem Gebiet der Reibungsforschung, hat mit seiner Theorie der Kontaktmechanik bedeutende Fortschritte in der Tribologie erzielt. Seine Arbeiten haben nicht nur Auswirkungen auf die Geowissenschaften, sondern auch auf zahlreiche technische Anwendungen, von Autoreifen bis hin zu Touchscreens. Diese aktuellen Forschungsergebnisse könnten somit nicht nur das Verständnis von Erdbeben revolutionieren, sondern auch die Grundlagen der Reibungslehre weiter festigen.
