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Vorläufiger Höhepunkt der nach Osten laufenden Beben-Serie an der Marmara-Verwerfung im östlichen Mittelmeer war das M 6,2 Erdbeben vom 23. April 2025, das den Bereich der verhakten Verwerfung südwestlich von Istanbul erreichte. Eine neue Studie von Forschenden unter Leitung von Prof. Dr. Patricia Martínez-Garzón vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlicht wurde, analysiert die Entwicklung. Angesichts der nahe der Millionen-Metropole Istanbul gespeicherten großen Mengen tektonischer Energie betonen die Forschenden die Notwendigkeit einer weiter verbesserten kontinuierlichen Echtzeitüberwachung der Region.
Zusammenfassung
Im April 2025 erlebte die Nordanatolische Verwerfungszone unterhalb des Marmarameeres im Nordwesten der Türkei vor Istanbul ihr stärkstes Erdbeben seit über 60 Jahren. In einer neuen Studie, die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlicht wurde, analysiert ein Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Patricia Martínez-Garzón vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam fast zwei Jahrzehnte seismischer Daten rund um das Erdbeben der Stärke M 6,2 vom 23. April 2025. Die Analyse der Bruchdynamik und der Nachbebenmuster auf mehreren zeitlichen Skalen zeigt im Verlauf der letzten ~15 Jahre eine bemerkenswerte Abfolge von Beben der Stärke M>5 entlang der Verwerfung, die sich nach Osten ausbreiten und bisher allesamt auf partiell kriechenden Bereichen der tektonischen Störungszone aufgetreten sind. Weiter östlich, unmittelbar vor den Toren Istanbuls, befindet sich allerdings der komplett verhakte Abschnitt der Marmara-Verwerfung. Dieser hat große Mengen Energie gespeichert und kann somit ein erheblich stärkeres Beben auslösen, mit entsprechend verheerenden Folgen für die 18-Millionen-Einwohner-Metropole. Daher betont die Studie die Notwendigkeit für eine weiter verbesserte kontinuierliche Echtzeitüberwachung dieser Region.
Hintergrund: Geschichte der Erdbeben an der Marmara-Verwerfung und ihre Bruchmechanismen
Die Marmara-Verwerfung hat das größte seismische Gefährdungs- und Risikopotenzial in Europa und Umgebung. Sie ist der einzige Teil der gesamten Nordanatolischen Verwerfungszone, entlang derer die eurasische und die anatolische tektonische Platte aufeinandertreffen, an dem seit 1766 kein großes (Magnitude M>7) Erdbeben mehr aufgetreten ist. Die durchschnittliche Wiederkehrperiode derart großer Erdbeben in der Region beträgt 250 Jahre. Das lässt sich aus historischen Aufzeichnungen der letzten 2300 Jahre schließen, aus denen man Erdbebenmagnituden berechnen kann. Die Marmara-Verwerfung befindet sich folglich aktuell bereits in der späten Phase ihres seismischen Zyklus und hat somit das Potenzial für ein großes Beben der Magnitude bis zu etwa 7.4.
Frühere Studien unter der Leitung von GFZ-Forschenden haben gezeigt, dass die Marmara-Verwerfung in mehrere charakteristische Abschnitte unterteilt ist: Im westlich von Istanbul gelegenen Bereich, dem zentralen Teil des Marmarameeres, ist der Verhakungsgrad gering und die Erdplatten „kriechen“ teilweise aneinander vorbei. Dort wird also nur ein Teil der tektonischen Energie (~50 %) gespeichert. Dies wurde aus der Erfassung und Analyse spezieller kleiner Erdbeben, sogenannter „Repeater“, abgeleitet. Nach Osten Richtung Istanbul nimmt der Anteil des Kriechens (und das Auftreten von Repeatern) in einem „Übergangsabschnitt“ schrittweise systematisch ab und unmittelbar südlich von Istanbul ist die Verwerfung schließlich vollständig verhakt und speichert in großem Maße tektonische Energie.
Entlang der einzelnen Segmente der Marmara-Verwerfung baut sich durch den tektonischen Ladeprozess also in unterschiedlichem Maße Spannung auf. Hinzu kommt, dass bei relativ größeren Erdbeben (wie zuletzt im April) auch co- und post-seismische Spannungsumlagerungen auftreten (die sogenannte Coulomb-Spannung). Diese erhöhen oder verringern den Spannungszustand je nach Bruchtyp und Lage.
Neue Forschungen zur Richtungsausbreitung von Marmara-Erdbeben
Das jüngste Marmara-Erdbeben der Stärke 6,2 am 23. April 2025 wurde im sogenannten Übergangssegment lokalisiert und gab Anlass für tiefgreifende Forschungen zur Richtungsausbreitung der Erdbeben in der Region. Das Forschungsteam wurde von Prof. Dr. Patricia Martínez-Garzón, Arbeitsgruppenleiterin in der Sektion „Geomechanik und wissenschaftliches Bohren” am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung und Professorin an der RWTH Aachen, geleitet und umfasste weitere Kolleg:innen aus Deutschland, der Türkei, den USA und vom GFZ darunter Prof. Dr. Marco Bohnhoff, Leiter der GFZ-Sektion 4.2 „Geomechanik und wissenschaftliche Bohrungen”, und Prof. Dr. Fabrice Cotton, Leiter der Sektion 2.6 „Seismische Gefahren und Risikodynamik”.
Die Forschenden analysierten die Bruchcharakteristika des M 6,2-Erdbebens vom April 2025 und das regionale Seismizitätsmuster anhand eines Katalogs seismischer Ereignisse aus den letzten 20 Jahren. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf dem Vergleich des M 6,2-Bebens von 2025 mit dem M 5,8-Siliviri-Erdbeben von 2019, da beide Epizentren benachbart sind und sich die Bruchbereiche teilweise überschneiden.
Eine jahrzehntelange Aktivierung der Marmara-Verwerfung in Richtung Osten
Die neue Studie dokumentiert nun eine sich seit 2011 entwickelnde Abfolge moderater (M>5) Erdbeben, die nach Osten in Richtung des verhakten Segments südwestlich und direkt südlich von Istanbul wandern – und dies mit zunehmender Magnitude. Die Serie gipfelte bislang in dem M 6,2-Beben vom 23. April 2025, dem größten Erdbeben auf der Marmara-Verwerfung seit mehr als 60 Jahren, und aktivierte einen ~10 bis 20 Kilometer langen Abschnitt im zentralen Marmarameer in Form einer Seitenverschiebung. Dabei verschieben sich die beiden Platten in horizontaler Richtung (sogenannte „Strike-Slip-Kinematik“‘). Ein Einfluss durch das vorige Beben der Magnitude 5,8 von 2019 via Spannungsumlagerung ist wahrscheinlich.
Die ostwärts gerichtete Wanderung von Beben der Stärke von mehr als 5 begann im kriechenden Abschnitt der Verwerfung unweit der Stadt Tekirdag. Dort kam es 2011 und 2012 zu zwei Erdbeben mit einer Stärke knapp über 5. Sie hinterließen einen etwa 10 bis 15 Kilometer langen ruhigen Bereich am östlichen Rand des Kriechsegments, der dann im Jahr 2019 durch das M 5,8-Beben aktiviert wurde. Dessen etwa 10 km lange Ruptur wurde nun teilweise durch das M 6,2-Beben vom April überlagert und noch weiter Richtung Osten verlängert. Beide benachbarten Epizentren markieren den Übergang vom kriechenden Abschnitt des Marmara-Zentralbeckens hin zum Übergangabschnitt des Kumburgaz-Beckens, das wiederum in den verhakten Bereich mündet.
Eine weitere zentrale Beobachtung der Science-Studie ist, dass die beiden letzten Beben (2019 und 2025) asymmetrische Nachbebenmuster relativ zum jeweiligen Epizentrum zeigen, wobei sich die Nachbeben hauptsächlich in östlicher Richtung ausbreiteten. Die Nachbeben vom April 2025 endeten nahe dem letzten verbliebenen teilkriechenden Bereich an einer etwa 15 km langen seismisch ruhigen Zone. Weiter östlich beginnt dann der verhakte und energiegeladene Teil der Verwerfung unmittelbar südlich von Istanbul. Die Nachbeben des 2025er und des 2019er Bebens unterscheiden sich in Bezug auf das Verhältnis zwischen kleineren und größeren Nachbeben. Der bleibend niedrige Wert (der sogenannte seismische b-Wert) für das 2025er Beben deutet darauf hin, dass in diesem Abschnitt das Spannungslevel nicht sinkt – mit anderen Worten: Der „Belastungszustand” ist weiterhin hoch und könnte also auf den benachbarten geladenen verhakten Bereich überspringen.
Auswirkungen für die Region Istanbul: wachsende tektonische Spannung
Das beobachtete Erdbebenmuster des M 6,2-Ereignisses vom April 2025 bringt also die seismische Energiefreisetzung näher an das verhakte Prinzeninseln-Segment heran und damit an den Teil der Marmara-Verwerfung direkt südlich von Istanbul, der allein ein Erdbeben der Stärke ~7 auslösen kann.
„Unsere Ergebnisse zeigen eine langfristige Entwicklung teilweiser Aktivierung der Marmara-Verwerfung, die sich ostwärts in Richtung des verhakten Prinzen-Inseln-Segments südlich von Istanbul bewegt“, sagt Prof. Dr. Patricia Martínez-Garzón, Wissenschaftlerin am GFZ und Hauptautorin der Studie. „Das sagt uns zwar nicht, wann ein großes Erdbeben stattfinden wird, aber es zeigt, welche Teile der Verwerfung zunehmend kritisch unter Spannung stehen.“
Auswirkungen auf das seismische Risiko der Stadt Istanbul
Studien aus den letzten Jahren zeigen, dass die von seismischen Wellen transportierte Energie in bestimmte Richtungen stärker und in andere schwächer abgestrahlt werden kann. Das hat wichtige Konsequenzen für das Schadenspotenzial in besiedelten Regionen. In ihrer aktuellen Studie haben Prof. Martínez-Garzón und ihre Co-Autor:innen nun auch gezeigt, dass das jüngste Beben der Stärke 6,2 im April 2025 in Richtung Osten kürzere und energiereichere seismische Wellen erzeugt hat als in Richtung Westen. Auch war die östlich des Epizentrums an Seismometerstationen gemessene Bodenbewegung stärker. Dieses sogenannte ostwärts gerichtete „Direktivitätsmuster” steht im Einklang mit den Erkenntnissen aus früheren Erdbeben in der Region. Es bedeutet, dass man auch im Fall des bevorstehenden Starkbebens in der Region mit dem gleichen Direktivitätsmuster rechnen muss, dass sich also die seismischen Wellen primär ostwärts in Richtung Istanbul ausbreiten. Würde das bevorstehende große Beben hingegen unmittelbar südlich von Istanbul beginnen, wäre dieser Effekt zwar geringer, die Bodenbewegungen wären aufgrund der geringen Entfernung zur Stadt allerdings ebenfalls hoch.
In ihrer Studie zeigen die Forschenden, dass die Beben, die in den letzten 15 Jahren entlang der Marmara-Verwerfung gen Osten gewandert sind, nur einen etwa 15 bis 20 km langen – aktuell seismisch ruhigen – Bereich der Verwerfungszone übriggelassen haben, der vor dem verhakten Bereich liegt. Da die seismische Sequenz von 2019 in einem ähnlich ruhigen Gebiet begann, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass dieses aktuell seismisch ruhige Segment ein möglicher Startpunkt für das nächste mittelschwere oder eben starke Erdbeben ist.
„Das nächste stärkere Erdbeben entlang der Marmara-Verwerfung wird vermutlich auf dem verbliebenen Bereich westlich von Istanbul oder direkt auf dem vollständig verhakten Prinzeninseln-Segment südlich der Megacity auftreten“, sagt Prof. Marco Bohnhoff, Mitautor der Studie. „Dies könnte ein Ereignis der Stärke 6 sein oder aber ein Vorläufer, der dann ein noch größeres Erdbeben auslöst. Denn die Marmara-Verwerfung muss als kritisch geladen angesehen werden. Das Beben vom April hat da nur unwesentlich Entlastung gebracht.“
Ausblick: Hohe Bedeutung einer dichten Echtzeitüberwachung der untermeerischen Marmara-Verwerfung
Wenn sich ein zukünftiges großes Erdbeben von West nach Ost ausbreitet – wie es die jüngsten Ereignisse vermuten lassen –, könnte die Bodenerschütterung in der Region Istanbul durch Direktivitätseffekte verstärkt werden. Aus diesem Grund betonen die Autor:innen die Bedeutung einer dichten Echtzeitüberwachung der untermeerischen Verwerfung vor Istanbul. Dazu gehört die Errichtung weiterer Bohrloch-Seismometerstationen im Rahmen des seit 10 Jahren messenden GONAF-Observatoriums, das gemeinsam vom GFZ und der türkischen Katastrophenschutzbehörde AFAD koordiniert wird. Wichtig sind aber auch permanente seismische und geodätische Stationen auf dem Meeresboden sowie Offshore-Glasfaser-Sensorsysteme, die bereits in naher Zukunft im Rahmen der SAFATOR-Helmholtz-Infrastruktur zum Einsatz kommen werden.
Eine bessere Überwachung hilft, die Auswirkung zukünftiger Erdbeben besser vorherzusehen und prognose-basierte Frühwarnsystem zu entwickeln, um im Ernstfall innerhalb von Sekunden oder Minuten reagieren zu können und z.B. die Abschaltung kritischer Infrastrukturen und andere grundlegende Sicherheitsmaßnahmen in Gang zu setzen.
Hintergrund: GONAF- und SAFAtor-Infrastruktur
Das GONAF-Observatorium besteht derzeit aus zehn bis zu 300 m tiefen Bohrlochstationen, von denen die neuesten die weltweit am modernsten instrumentierten Stationen ihrer Art sind. Es ist seit 2015 in Betrieb und hat es ermöglicht, ein wesentlich detaillierteres Modell der seismischen und aseismischen Deformationsprozesse entlang der Marmara-Verwerfung zu erstellen. Das kürzlich gestartete SAFAtor-Projekt ist eine wichtige Initiative der Helmholtz-Gemeinschaft, die vom GFZ koordiniert wird, um die Nutzung von Offshore-Glasfaserkabeln zum Beispiel als Dehnungs- und Temperatursensoren für wissenschaftliche Zwecke voranzutreiben.
Finanzierung
Prof. Martínez-Garzón und Sebastián Núnez-Jara werden durch den ERC Starting Grant QUAKEHUNTER (101076119) finanziert. GONAF ist Teil der Initiative „Plate Boundary Observatory” des GFZ und wurde von deutschen, türkischen und US-amerikanischen Behörden sowie vom Internationalen Kontinentalen Wissenschaftlichen Bohrprogramm ICDP mit Sitz am GFZ Potsdam kofinanziert.
Prof. Patricia Martínez-Garzón
Arbeitsgruppenleitung in Sektion 4.2 Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Tel.: +49 331 6264-28833
E-Mail: patricia.martinez.garzon@gfz.de
Prof. Marco Bohnhoff
Leitung Sektion 4.2 Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Tel.: +49 331 6264-1327
E-Mail: marco.bohnhoff@gfz.de
P. Martínez-Garzón et al., Progressive eastward rupture of the Main Marmara Fault towards Istanbul, Science 10.1126/science.adz0072 (2025).
https://www.gonaf-network.org GONAF-Website
https://research-infrastructure.gfz.de/de/infrastruktur/37 GONAF am GFZ
https://www.gfz.de/sektion/erdbebengefaehrdung-und-dynamische-risiken/projekte/s... Projektwebsite SAFAtor
https://www.gfz.de/presse/meldungen/detailansicht/30-mio-euro-fuer-neuartiges-mo... Pressemitteilung
Analysierte Erdbebenfolge entlang der Marmara-Verwerfung im Marmara-Meer vor der Megacity Istanbul: ...
Copyright: Patricia Martínez-Garzón, GFZ
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler, jedermann
Geowissenschaften, Meer / Klima
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Analysierte Erdbebenfolge entlang der Marmara-Verwerfung im Marmara-Meer vor der Megacity Istanbul: ...
Copyright: Patricia Martínez-Garzón, GFZ
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