Was Wissenschaftler lange für unmöglich hielten, könnte bald Realität werden: Ein Team aus Kyoto entschlüsselt die geheimen Signale vor Erdbeben.
Tokyo – Jahrzehntelang galt es als wissenschaftlich unmöglich, Erdbeben zuverlässig vorherzusagen. Die etablierte Lehrmeinung der Seismologie besagte, dass Erdbeben praktisch ohne Vorankündigung auftreten. In den vergangenen Jahren gab es immer wieder Entdeckungen, die zeigten, dass es doch Vorwarnungen geben könnte. Jetzt wird die Annahme durch bahnbrechende Forschungsergebnisse aus Japan infrage gestellt.
Ein Wissenschaftsteam der Universität Kyoto hat mithilfe künstlicher Intelligenz einen bedeutenden Fortschritt erzielt. Die Forschenden entwickelten ein KI-System, das fähig ist, minimale Signale zu identifizieren, die einem Erdbeben vorausgehen können.
Erdbeben vorhersagen ist sehr schwer – Prozesse sind komplex
Die Herausforderung bei der Erdbebenvorhersage liegt in der Komplexität der zugrundeliegenden Prozesse. Fachleute vermuteten zwar, dass in tektonischen Verwerfungszonen „Mikro-Brüche“ und „langsames Gleiten“ vor einem Hauptbeben auftreten, doch diese Vorgänge sind von der Erdoberfläche aus kaum nachweisbar. Bisherige Forschungen deuteten zudem darauf hin, dass sich kleinere und größere Erdbeben in ihrer Entstehungsphase nicht unterscheiden lassen.
Das japanische Forschungsteam unter der Leitung von Reiju Norisugi beschritt einen innovativen Weg. „Wir wendeten eine fortgeschrittene Technik des maschinellen Lernens auf Daten aus einem metergroßen Gesteinsreibungsexperiment an, das ‚Stick-Slip‘-Laborbeben zusammen mit zahlreichen akustischen Emissionsereignissen erzeugt – winzige Vorbebensignale, die entstehen, wenn sich die Verwerfung dem Versagen nähert“, erklärt Norisugi in einer Mitteilung.
KI-Modelle wurden mit Vorbeben-Daten trainiert und erkannten subtile Erdbeben-Signale
Im Gegensatz zu früheren Studien, die sich auf zentimetergroße Laborexperimente konzentrierten, nutzte das Team einen metergroßen Versuchsaufbau. Diese Skalierung ist von zentraler Bedeutung, da sie die natürlichen Bedingungen in der Erdkruste wesentlich genauer simuliert. Die physikalischen Prozesse und zeitlichen Abläufe entsprechen dabei deutlich mehr den realen Gegebenheiten. Die Ergebnisse sind beeindruckend: Die entwickelten KI-Modelle, die ausschließlich mit Vorbeben-Daten trainiert wurden, konnten präzise jene subtilen Signale erkennen, die unmittelbar vor dem Einsetzen der simulierten Erdbeben auftraten.
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Um die bemerkenswerte Treffsicherheit der KI zu ergründen, verglichen die Forschenden die Leistung mit physikbasierten numerischen Simulationen. Dabei identifizierten sie den ausschlaggebenden Faktor für erfolgreiche Vorhersagen: die Entwicklung von Scherspannungen in langsam gleitenden Bereichen der Verwerfung.
Zuverlässige Erdbeben-Vorwarnung ist noch lange nicht möglich
„Diese lokalisierten Spannungsveränderungen liefern aussagekräftigere Informationen als die durchschnittliche Spannung über die gesamte Verwerfung, was die Bedeutung der Überwachung räumlich heterogenen Verwerfungsgleitverhaltens unterstreicht“, erläutert Yoshihiro Kaneko, der das Forschungsteam leitet. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie verbindet Laborforschung mit natürlichen geologischen Systemen. Das Forschungsteam hat damit einen physikalisch fundierten Rahmen geschaffen, um die finalen Phasen der Spannungsaufladung in Verwerfungen besser zu verstehen.
Obwohl eine zuverlässige Frühwarnung vor realen Erdbeben noch in der Zukunft liegt, markiert diese Forschung einen wichtigen Meilenstein. Was lange Zeit dem Reich der Science-Fiction zugeordnet wurde, könnte bald greifbare Realität werden. Die Kombination aus künstlicher Intelligenz und geologischer Forschung eröffnet völlig neue Perspektiven für die Erdbebenvorhersage und könnte in Zukunft zahlreiche Menschenleben retten. (Quellen: Mitteilung, Studie) (tab)