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Forscher simulieren San Franciscos Untergang

Von Stefan Schmitt

Vor 100 Jahren zerstörte ein gewaltiges Erdbeben weite Teile San Franciscos. Geologen haben die Katastrophe jetzt im Computer rekonstruiert - anhand von  historischen Daten und Augenzeugenberichten. Die Simulationen zeichnen ein bedrohliches Bild der Naturgewalt.

Am 18. April 1906 kann das Gestein dem Druck nicht mehr standhalten. Mit einem vernichtenden Schlag reißen die pazifische und die nordamerikanische Platte entlang des San-Andreas-Grabens kurzzeitig auseinander. Die Energie, die sich über viele Jahrzehnte aufgestaut hat, wird auf einen kurzen Moment gebündelt - und lässt Druckwellen mit rund 30.000 Kilometern pro Stunde in alle Richtungen davonrasen.

San Francisco, eine florierende Metropole mitten in der Gründerstimmung des anbrechenden Jahrhunderts, versinkt gemeinsam mit der Bay Area in Schutt - und indirekt auch in Asche. Weil Gasleitungen bersten, verbrennen ganze Straßenzüge. Schätzungen zufolge starben 3000 bis 4000 Menschen, rund 250.000 der 400.000 Bewohner San Franciscos werden obdachlos.

 Foto: USGS

Video: jkr

Aus Angst vor dem nächsten "Big One" und wegen des nahenden 100. Jahrestags der Katastrophe beschäftigten sich Geologen intensiver denn je mit dem Beben von 1906. Jetzt wurde es im Computer rekonstruiert. Animierte Sequenzen zeigen den zeitlichen Verlauf, die räumliche Ausbreitung und die Stärke der Erdstöße, die einen Wert von 7,8 auf der Richterskala erreichte.

"In diesen Animationen und der Wissenschaft dahinter gipfeln die jüngsten Forschungsbemühungen in der Seismologie", sagt Peggy Hellweg von der Seismological Society of America. Bei ihrer Rekonstruktion des Bebens konnten die Wissenschaftler unter anderem klären: Die Verschiebung im San-Andreas-Graben, dem eigentlichen Auslöser des Bebens, zog sich bis zu seinem nördlichen Ende - und raste besonders schnell in diese Richtung, was die Stärke des Bebens noch erhöhte.

Doch wie errechnet man den Verlauf eines hundert Jahre alten Erdbebens? "Wir hatten zwei Hauptzutaten", sagt Brad Aagaard, Leiter der Rekonstruktionsgruppe beim US Geological Survey, zu SPIEGEL ONLINE. "Zum einen hatten wir ein dreidimensionales geologisches Modell, denn die Geologie unter uns war ja in den vergangenen hundert Jahren mehr oder weniger konstant. Das Zweite ist das Verwerfungsmodell." Dahinter verbirgt sich die Modellierung der Bewegung in der Spalte.

Aufzeichnungen aus aller Welt

"Seismische Wellen entstehen durch Rutschungen in Gräben oder Verwerfungen in der Erdkruste", sagt Greg Beroza, Geologe von der Stanford University. "Wir haben die Quelle des Bebens von 1906, den San-Andreas-Graben, genauer betrachtet. Da gab es in älteren Modellen einige Unstimmigkeiten, wie genau sich der Graben bewegt hat." Klar ist, dass die Bewegung vor der Küste von Daly City ihren Anfang nahm. Nach Süden ging der Bruch bis San Juan Bautista. Doch wie weit setzte sich die Rutschung in den Norden fort? Keine einfache Frage, zumal die nördlichsten 150 Kilometer des Grabens unter Wasser liegen.

Jahrhundertbeben: San Franciscos Apokalypse

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Zeitgenössische Beben rekonstruieren Seismologen vor allem durch den Vergleich der Messungen zahlreicher Messstationen auf der ganzen Welt: Wo wann die Schockwellen wie stark eintreffen, erlaubt ziemlich genaue Rückschlüsse auf die Vorgänge unter der Erdoberfläche. "Verglichen mit heutigen Standards gibt es von 1906 natürlich erheblich weniger Daten, gerade genug für die Rekonstruktion des großen Ganzen eben", sagt Aagaard. Unter anderem nutzten die Geophysiker Aufzeichnungen, sogenannte Seismogramme, aus Japan, Schweden, Puerto Rico und Göttingen. Die "smaller scale effects" aber, örtliche Details zu Art, Stärke und Zeitpunkt der Erschütterung, ließen sich so nicht berechnen.

Vermessungsdaten als "GPS des 19. Jahrhunderts"

So wurden die Forscher notgedrungen zu Archivaren - und Lokalhistorikern. Zeitgenössische Augenzeugenberichte und Schadensmeldungen dienten als wichtige Quellen. So durchforsteten Mitglieder des Teams den Lawson-Report von 1908, eine akribische Auflistung der Ereignisse und Zerstörungen vom 18. April 1906 und der Tage danach. Besonders wichtig für die Geologen: Karten und Ortsangaben in Verbindung mit Uhrzeiten. Aus Beschreibungen der Schäden konnten sie sich dann ein "ziemlich detailliertes Bild" davon machen, wie die Erde an welchen Stellen bebte: indem sie zurückrechneten, was im Untergrund geschehen sein muss, um solche Verwüstung anzurichten.

Beroza und seine Kollegen in Stanford verglichen zusätzlich historische Vermessungsdaten. Sie fanden alte Aufzeichnungen über die Winkel zwischen geodätischen Punkten, etwa Berggipfeln oder Kirchtürmen. Wenn die Winkel zwischen dreien solcher Vermessungspunkte sich im Vorher-Nachher-Vergleich verändert hatten, wussten die Forscher: Hier hat die Oberfläche sich verschoben, hier muss sie auch gebebt haben.

"Das ist wie das GPS des 19. Jahrhunderts", sagte Beroza. Tatsächlich konnten er und seine Kollegen so klären, dass die nördliche Rutschung wirklich bis zum Nordende des San-Andreas-Grabens bei Kap Mendocino verlaufen sein muss.

Erdbeben von 1989 als Vergleichstest

Um ihr Modell aus Formeln und Beziehungen zu überprüfen, fütterten die Forscher es mit den Daten des schweren Erdbebens, das 1989 die Berge von Santa Cruz und die Gegend um San Francisco erschüttert hatte. Im Gegensatz zum Jahrhundertbeben lagen von 1989 detailreiche Seismogramme vor. Die Ergebnisse der Computersimulation seien diesen Aufzeichnungen sehr nahe gekommen, sagte Aagaard, also passe das Modell.

Die Ergebnisse des Projekts, an dem 23 Wissenschaftler von fünf Instituten seit 2004 gearbeitet haben, werden nun Forschern und Ingenieuren zur Verfügung gestellt. "Wir sehen zwei Hauptanwendungen", sagt Aagaard. "Einerseits sollen Ingenieure überprüfen, ob Baukörper dem Beben von 1906 standhalten würden oder ob man sie verstärken sollte. Außerdem sollen Katastrophenschützer die Animationen bei Übungen einsetzen."

Steckt nun das tatsächliche Beben von 1906 in den Rechnern der Wissenschaftler? Eine Einschränkung liegt in der Auflösung der Simulation. Der Bruch erstreckte sich über 500 Kilometer der kalifornischen Küste, da können auch heutige Supercomputer nur in Einheiten von kleinstenfalls 100 Metern hantieren. Es gibt Strukturen in Untergrund der Bay Area rund um San Francisco, die so nicht einkalkuliert werden können: Eine "bay mud" (Buchtschlamm) genannte Sedimentschicht etwa misst bloß zehn Meter.

Dennoch gilt die "1906 ground motion simulation" als bislang umfangreichste Studie über die Bodenbewegung während des Bebens von 1906. Aagaard und seine Kollegen werden sie bei der Konferenz zum 100. Jahrestag der Katastrophe präsentieren.