In Kürze:
- Bislang galt die Theorie, dass Erdbeben entstehen, wenn sich aneinander vorbeischiebende Gesteinsplatten ineinander verhaken.
- Mit Granit auf Granit schreiben deutsche Physiker nun die Reibungslehre um, da sie chemische Prozesse und ein Verkleben von Gestein feststellten.
- Die Folge: Erst wenn das „verklebte“ Gestein aufbricht, kommt es zu Reibung und damit zu Erdbeben.
Wenn sich tektonische Platten bewegen, geschieht das selten gleichmäßig. Mal gleiten sie nahezu unmerklich, mal rutschen sie abrupt – und es kommt zu einem Erdbeben. Was dabei auf kleinster Ebene vor sich geht, gehört zu den offenen Fragen der Erdbebenforschung.
Physikalisch gesehen handelt es sich um ein Reibungsproblem. Um die Prozesse besser zu verstehen, haben die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universität des Saarlandes die Reibung von Granit auf Granit untersucht – ein vereinfachtes Modell für tektonische Störungen. Experimente, Simulationen und Theorie liefern ein überraschend eindeutiges Bild: Die Reibung im Gestein entsteht anders, als lange angenommen.
Kleben statt Kratzen
Bislang standen primär mechanische Prozesse im Verdacht: Raue Oberflächen verhaken sich, werden abgeschliffen und harte Spitzen ritzen Spuren ins Material. Genau auf diesen Annahmen beruhen auch die meisten Erdbebenmodelle.
Doch diese Vorstellung greift offenbar zu kurz. „Der Abrieb ist nicht entscheidend. Wir konnten zeigen, dass stattdessen eine andere Ursache dominiert“,
erklärt Dr. Bo Persson vom Forschungszentrum Jülich.
An winzigen Kontaktstellen gehen die Gesteinsoberflächen
chemische Bindungen ein – eine Art Kaltverschweißung. „Wenn Gesteine aneinander vorbeigleiten, lösen sich diese Bindungen, ähnlich wie bei einem Klettverschluss. Das erfordert Energie – und erzeugt Reibung“, so Persson.
Die Forscher konnten mit ihrer Studie zudem einen Größeneffekt nachweisen. „In kleinen Systemen erfolgt das
Aufbrechen der Bindungen gleichmäßig, während es in großen Systemen ungleichmäßig verläuft – einige Bereiche lösen sich früher als andere –, was den sogenannten Losbrechwiderstand verringert“, ergänzt Persson.
Neue Sicht auf Erdbeben
Die neuen Ergebnisse werden durch Computersimulationen bestätigt, die an der Universität des Saarlandes durchgeführt wurden. Prof. Martin Müser erforscht mit seinem Team dort schon seit Jahren die
Reibung zwischen Festkörpern unter extremen Bedingungen.
„In unseren Simulationen konnten wir das Aufbrechen von Bindungen als hauptsächliche Ursache für die Reibung festmachen“, erklärt Müser. „Daneben tragen aber auch das Verformen und lokale Aufschmelzen des Materials zur Reibung bei – Effekte, die auch in bestehenden Modellen eine Rolle spielen.“
Die Ergebnisse legen nahe, dass sich
tektonische Platten auf mikroskopischer Ebene anders verhalten als angenommen. Bisherige Modelle gingen davon aus, dass sich Spannung über lange Zeit aufbaut und sich dann plötzlich in einem Bruch entlädt.
Das neue Modell zeichnet ein anderes Bild: Die Bewegung beginnt deutlich früher. Die Platten verharren nicht vollständig in Ruhe, sondern verschieben sich ständig – extrem langsam, oft nur wenige Millimeter pro Jahr. Dieser Prozess wird in der
Geowissenschaft als „Kriechen“ bezeichnet.
Die San-Andreas-Verwerfung ist einer der bekanntesten Hotspots für Erdbeben.
Foto: GaryKavanagh/iStock
Die Verwerfung entsteht, weil sich zwei Erdplatten aneinander vorbeischieben.
Foto: oliver de la haye/iStock
Weil das Vorbeigleiten der Platten selten reibungslos erfolgt, entstehen besondere Gesteinsformationen.
Vom Kriechen zum Gleiten
Auf mikroskopischer Ebene lösen sich dabei fortlaufend chemische Bindungen und bilden sich neu. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt zunächst die Reibung. Wird jedoch eine kritische Schwelle erreicht,
kippt das System: Die Bindungen können sich nicht mehr schnell genug erneuern und es kommt zu lokalen Erwärmungen im Material – die Reibung sinkt.
„Das System geht vom langsamen Kriechen zu einem schnellen Gleiten über. Genau das könnte ein möglicher Auslöser von Erdbeben sein“, erläutert Bo Persson.
Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, bestehende Modelle zu verbessern. „Wir müssen genauer verstehen, wie sich die Reibung mit der Bewegung verändert“, sagt Persson. „Das könnte entscheidend sein, um
Erdbebenprozesse realistischer zu beschreiben.“
Der gebürtige Schwede forscht seit Jahrzehnten an der Reibungslehre, auch Tribologie genannt. Bo Persson hat damit nicht nur das Forschungsfeld entscheidend geprägt, sondern auch unseren Alltag, indem er die Reibung von Autoreifen, Touchscreens und
Gletschern untersucht.
Die Studie erschien am 16. März 2026 im Fachmagazin „Reports on Progress in Physics“.
