Spannungen bauen sich am Japan-Graben erneut auf, während die Verhakung der Störung nach dem Tohoku-Erdbeben von 2011 zurückkehrt

Vierzehn Jahre Messungen zeigen, wie sich eine Störung erneut auflädt

Die Plattengrenze, die beim Tohoku-Erdbeben der Magnitude 9,0 im Jahr 2011 in Japan aufbrach, hatte etwa zehn Jahre nach der Katastrophe weitgehend wieder ihren verhakten Zustand erreicht. Das geht aus einer am 5. November 2026 in Science veröffentlichten Studie hervor. Da die Platten wieder aneinander haften, bauen sich über ein großes Gebiet der Erdbebenherdzone am Japan-Graben Spannungen auf.

Das internationale Forschungsteam kombinierte 14 Jahre lang Seebodenmessungen mit Beobachtungen von Bewegungen an Land und wiederkehrenden Erdbeben. Die Analyse ergab, dass das langsame Gleiten nach dem Erdbeben nach etwa einem Jahrzehnt nahezu beendet war, während sich die Verhakung wieder Bedingungen angenähert hatte, die denen vor der Katastrophe ähnelten.

Fumiaki Tomita, Assistenzprofessor am International Research Institute of Disaster Science der Universität Tohoku, ist Erst- und korrespondierender Autor der Studie. Die Ergebnisse beschreiben einen bedeutenden Wandel unter dem Nordosten Japans: Tiefengestein passt sich weiterhin dem Erdbeben von 2011 an, doch die Plattengrenze speichert bereits wieder Energie, die bei künftigen Erdbeben freigesetzt werden kann.

Die Forschungsmitteilung der Universität Tohoku vom 6. November erläutert, dass beide Prozesse gleichzeitig ablaufen. Wann sich das nächste Erdbeben ereignet und wie stark es sein wird, ist weiterhin ungewiss.

Was es bedeutet, wenn Platten verhakt sind

Der Japan-Graben liegt vor der Pazifikküste im Nordosten Japans. Dort schiebt sich die ozeanische Pazifische Platte unter die Platte, die das Festland trägt. Die Plattengrenze ist eine gewaltige Störung, also eine Fläche, entlang derer sich die Gesteinsmassen auf beiden Seiten bewegen können.

Reibung kann Teile dieser Grenze festhalten, obwohl sich die Platten weiter bewegen. Die landwärts gelegene Platte wird dadurch gebogen und verformt und speichert elastische Spannung. Ein anschaulicher Vergleich ist eine langsam zusammengedrückte Feder: Während die Bewegung gehemmt wird, sammelt sich Energie an.

Das Erdbeben von 2011 ereignete sich, als ein großes verhaktes Gebiet plötzlich abrutschte und die angestaute Spannung freisetzte, während sich die verformte Erdkruste zurückbewegte. Nach diesem Bruch glitten Teile der Plattengrenze langsam weiter. Die neue Studie zeichnet nach, wie dieses Gleiten nachließ und die Störung wieder an der abtauchenden Platte zu haften begann.

Wie Forschende Bewegungen unter dem Meer gemessen haben

Zwischen 2011 und 2025 erfassten die Forschenden Veränderungen an 26 Messpunkten am Meeresboden vor Tohoku. Dafür kombinierten sie Beobachtungen der Universität Tohoku und der japanischen Küstenwache. Die Messungen vor der Küste brachten die Untersuchung näher an die Störung heran, als es allein mit Messgeräten an Land möglich gewesen wäre.

Die Methode heißt GNSS-A und kombiniert Satellitenortung mit Unterwasserschall. GNSS steht für „Global Navigation Satellite System“. Satelliten bestimmen die Position eines Vermessungsschiffs oder einer anderen Station an der Meeresoberfläche. Akustische Signale messen deren Position im Verhältnis zu den Messgeräten am Meeresboden.

Wiederholte Messungen machen kleine Veränderungen der Position der Messgeräte am Meeresboden sichtbar. Für den Unterwasserteil der Messung wird Schall verwendet, da Satellitenortungssignale das Meerwasser nicht so durchdringen, dass sich die Messgeräte damit direkt orten ließen.

Das Team wertete diese Beobachtungen zusammen mit an Land erfassten Verformungen und Beobachtungen wiederkehrender Erdbeben aus. Numerische Modelle halfen anschließend dabei, die gemessenen Bewegungen mit Vorgängen an der Plattengrenze und in größerer Tiefe in Verbindung zu bringen.

Drei Prozesse, die den Untergrund bewegen

Japans Erdkruste bewegt sich seit 2011 aus mehreren Gründen weiter. Die zentrale Herausforderung bestand darin, drei Prozesse voneinander zu unterscheiden: langsames Gleiten nach dem Erdbeben, allmähliche Verformung tief gelegenen Gesteins und die erneute Verhakung der Plattengrenze.

Nachgleiten bezeichnet die langsame Bewegung, die nach einem starken Erdbeben im Umfeld der Bruchzone anhält. Anders als beim Hauptbeben läuft es ohne vergleichbar zerstörerische Erschütterungen oder Tsunamis ab. Messgeräte erfassen es anhand allmählicher Veränderungen der Position des Bodens oder des Meeresbodens. Wo Nachgleiten auftritt, wird Spannung abgebaut.

Viskoelastische Relaxation findet in größerer Tiefe statt. Gestein im Erdmantel kann auf eine plötzliche Kraft elastisch reagieren, sich aber auch über lange Zeiträume langsam verformen. Wenn ein gewaltiges Erdbeben die Kräfteverhältnisse im Untergrund verändert, kann diese langsame Anpassung die Oberfläche über Jahre hinweg großräumig bewegen.

Die Verhakung wirkt dem Nachgleiten entgegen: Reibung hemmt die Bewegung an der Grenze, sodass sich erneut Spannung aufbauen kann. Die neue Analyse ergab, dass das Nachgleiten etwa zehn Jahre nach 2011 nahezu beendet war, obwohl die Relaxation des Erdmantels andauerte. Die Bewegungen an der Oberfläche enthalten daher sowohl Signale einer sich erneut aufladenden Störung als auch von Tiefengestein, das sich weiterhin anpasst.

Der Weg vom Bruch zur erneuten Verhakung

Die Erholung zeigte sich im Laufe jahrelanger Beobachtungen und nicht zu einem einzelnen Zeitpunkt. Die wichtigsten Daten verbinden das Erdbeben, eine frühere Modellierungsstudie und den längeren Beobachtungszeitraum der neuen Arbeit.

• 2011: Beim Tohoku-Erdbeben der Magnitude 9,0 brach die Plattengrenze vor dem Nordosten Japans auf.
• 2011 bis 2025: Forschende verfolgten die Bewegung des Meeresbodens an 26 Messpunkten und erstellten eine 14 Jahre umfassende Datenreihe.
• Etwa zehn Jahre nach dem Erdbeben: Der neuen Analyse zufolge war das Nachgleiten nahezu beendet und hatte sich die Verhakung wieder Bedingungen angenähert, die denen vor 2011 ähnelten.
• Januar 2023: Eine frühere Studie zu den ersten sieben Jahren nach dem Erdbeben beschrieb ein nachlassendes Nachgleiten und die Ausweitung eines verhakten Gebiets.
• 5. November 2026: Science veröffentlichte die neue Studie und einen zugehörigen Kommentar.
• 6. November 2026: Die Universität Tohoku veröffentlichte eine Mitteilung zu den Ergebnissen.

Das Jahrzehnt markiert den ungefähren Zeitpunkt, zu dem das Modell die Wiederherstellung der Verhakung ansetzt. Die Messungen wurden darüber hinaus fortgesetzt und ermöglichten es den Forschenden, den Übergang über einen längeren Zeitraum zu untersuchen.

Was die früheren sieben Jahre gezeigt hatten

Eine Studie vom Januar 2023 in Physics of the Earth and Planetary Interiors hatte bereits eine allmähliche Rückkehr zum Aufbau von Spannungen festgestellt. Sie analysierte Verformungen über einen Zeitraum von rund sieben Jahren und stützte sich dabei auf 276 Stationen des japanischen Satellitenortungsnetzes GEONET sowie auf akustische Ortungsmessungen vor der Küste.

Die Studie ergab, dass Ausmaß und geografische Ausdehnung des Nachgleitens vor allem in den ersten beiden Jahren nach dem Erdbeben abnahmen. Anschließend weitete sich das verhakte Gebiet allmählich aus. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Plattengrenze in die Phase zwischen großen Erdbeben zurückkehrte, in der die Platten gekoppelt sind und sich elastische Spannungen aufbauen.

Die neue Studie verlängert den Beobachtungszeitraum von sieben auf 14 Jahre und verdoppelt ihn damit. Die frühere Arbeit beschrieb den Beginn eines Übergangs innerhalb weniger Jahre; die längere Analyse verortet das nahezu vollständige Ende des Nachgleitens und die Wiederherstellung der Verhakung etwa ein Jahrzehnt nach dem Erdbeben. Die Ergebnisse beschreiben verschiedene Phasen desselben Erholungsprozesses.

Warum Tiefengestein für die Antwort wichtig ist

Die Analyse von 2023 zeigte, warum Forschende den Erdmantel berücksichtigen müssen, wenn sie Messungen an der Oberfläche interpretieren. Während des untersuchten Zeitraums bewegten sich Messstationen an Land nach Osten, während die meisten Messpunkte vor der Küste nach Westen wanderten. Teile der Ostküste hoben sich zudem um bis zu etwa zehn Zentimeter.

Um diese Muster nachzubilden, modellierten die Forschenden, wie sich der Widerstand gegen langsame Verformungen je nach Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit des Gesteins verändert. Ihr bevorzugtes Modell enthielt eine kältere, relativ starre Ecke des Erdmantels oberhalb der abtauchenden Platte, oft als „kalte Nase“ bezeichnet, sowie eine Schicht unterhalb der abtauchenden Platte, die sich leichter verformen kann.

Die Forschenden berechneten die durch die Relaxation des Erdmantels verursachten Bewegungen und zogen sie von den beobachteten Bewegungen ab. Anhand des verbleibenden Signals schätzten sie anschließend Nachgleiten und Verhakung. Dieser Ansatz erklärt, warum sich die Bewegungsrichtung eines Messgeräts am Meeresboden nicht ohne Berücksichtigung der Vorgänge in der Tiefe interpretieren lässt.

Auch die Studie von 2026 nutzte numerische Modelle, um verschiedene Arten von Beobachtungen auszuwerten. Ihre zentrale Erkenntnis lautet, dass sich an der Plattengrenze erneut Spannungen aufbauen können, während der Erdmantel weiterhin sehr viel langsamer auf den früheren Bruch reagiert.

Ein genauerer Blick auf den Erdbebenzyklus

Die neue Studie trägt den Titel Seafloor geodesy delineates fast megathrust relocking after the giant 2011 Tohoku earthquake. Geodäsie bezeichnet die Messung der Form und Bewegung der Erde; eine Megathrust-Störung ist die große Störung, an der eine tektonische Platte unter eine andere abtaucht.

Kaj M. Johnson, Autor des begleitenden Kommentars in Science, ordnete die Ergebnisse in die Theorie des elastischen Rückpralls ein, mit der wiederkehrende Erdbeben erklärt werden. In diesem Modell hält Reibung eine Störung fest, das umgebende Gestein verformt sich, und ein späterer Bruch setzt die gespeicherte elastische Spannung frei. Johnson beschrieb den Beitrag der neuen Arbeit so:

Die Ergebnisse geben einen direkten Einblick, wie der Erdbebenzyklus nach einem gewaltigen Bruch von Neuem beginnt.

An der Forschung waren die Universität Tohoku, die Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, das Erdbebenforschungsinstitut der Universität Tokio, die University of Victoria, der Geological Survey of Canada sowie das gemeinsame Institut WPI-AIMEC der Universität Tohoku und JAMSTEC beteiligt.

Was die Ergebnisse für Küstengemeinden bedeuten

Für die Gemeinden an der Pazifikküste im Nordosten Japans lautet die praktische Botschaft: Die Plattengrenze ist in einen Zustand zurückgekehrt, in dem sich Spannungen aufbauen können. Die allmähliche Anpassung nach der Katastrophe von 2011 dauert im Untergrund an und läuft gleichzeitig mit dieser erneuten Spannungsbelastung ab.

Große Erdbeben am Japan-Graben treten nach bisherigen Beschreibungen in Abständen von etwa 500 bis 900 Jahren auf. Das Forschungsteam verwies zudem auf Beispiele aus anderen Ländern, wo Erdbeben nahe der Magnitude 9 mit etwa 70 Jahren Abstand auftraten. Diese unterschiedlichen Zeiträume betreffen die Wiederkehr von Erdbeben; die neue Erkenntnis betrifft die Geschwindigkeit, mit der eine Störung nach einem Bruch wieder Halt finden kann.

Fortgesetzte Messungen am Meeresboden werden den Forschenden helfen, Veränderungen der Verhakung und die Entwicklung der Plattengrenze zu verfolgen. Das Forschungsteam hält diese Überwachung für unverzichtbar, um künftige starke Erdbeben und Tsunamis einzuschätzen. Für die Bevölkerung lautet die konkrete Botschaft, auf Erdbeben und Tsunamis vorbereitet zu bleiben, während die Forschenden einen Prozess verfolgen, der sich über Jahrzehnte und noch längere Zeiträume erstreckt.

Die wichtigsten Punkte

• Eine am 5. November 2026 in Science veröffentlichte Studie stellte fest, dass sich ein großes Gebiet der Erdbebenherdzone des Tohoku-Erdbebens von 2011 erneut verhakt hat.
• Die Analyse kombinierte 14 Jahre Beobachtungen, darunter Messungen an 26 Punkten am Meeresboden, mit Verformungen an Land und wiederkehrenden Erdbeben.
• Etwa zehn Jahre nach 2011 war das Nachgleiten nahezu beendet und hatte sich die Verhakung wieder Bedingungen angenähert, die denen vor der Katastrophe ähnelten.
• An der Plattengrenze bauen sich Spannungen auf, während sich tief gelegene Gesteinsmassen im Erdmantel weiterhin an das Erdbeben anpassen.
• Eine frühere Studie mit sieben Jahren Beobachtungen hatte ein nachlassendes Nachgleiten und die allmähliche Ausweitung des verhakten Gebiets festgestellt.
• Die fortgesetzte Überwachung vor der Küste sowie anhaltende Vorsorge für Erdbeben und Tsunamis bleiben zentrale Prioritäten.