Die geheimen Signale, die Felsen vor ihrem katastrophalen Einsturz aussenden

Zu viel Druck kann dazu führen, dass Gestein bricht, doch bevor es so weit kommt, „seufzen“ die Gesteinsmassen gewissermaßen als chemisches Warnsignal, indem sie Nuklide freisetzen. Diese Art von Atomen wird durch die Anzahl der Neutronen und Protonen im Kern definiert. Wissenschaftler untersuchen diese geochemischen Emissionen bereits seit über 50 Jahren, hatten jedoch Schwierigkeiten, einen Zusammenhang zwischen der Freisetzung von Nukliden und Gesteinsbrüchen herzustellen.

In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, hat ein internationales Team von Wissenschaftlern von Universitäten in China und den Vereinigten Staaten das Rätsel gelöst, indem es mithilfe von Modellen Schwankungen der Nuklidsignale mit Veränderungen in der Gesteinsstruktur in Verbindung brachte, die zu einem kritischen Versagen führen.

Wenn Gestein bricht oder sich verformt, löst dies Lawinen und Erdrutsche aus und verstärkt die durch Vulkanaktivität und Erdbeben verursachten Schäden. Die Ergebnisse der Studie könnten Wissenschaftlern dabei helfen, sich auf Georisiken vorzubereiten, die durch beanspruchtes Gestein verursacht werden.

„Wir bringen diese strukturellen Veränderungen ausdrücklich mit messbaren Merkmalen von Nuklidsignalen in Verbindung“, sagte Rong Mao, Autor der Studie und Postdoktorand am Center for Natural Resources des New Jersey Institute of Technology. „Unseres Wissens ist dies die erste Studie, die eine quantitative Theorie zur Diagnose von Gesteinsbrüchen anhand natürlich vorkommender Nuklidsignale aufstellt“, sagt er.

Was passiert, wenn Gestein brüchig wird?

Wenn Gestein brüchig wird, werden Nuklide wie Helium, Radon und Thoron in die Poren und Risse des Gesteins freigesetzt. Die Risse weiten sich daraufhin aus, breiten sich aus und verbinden sich miteinander; dabei werden Nuklide freigesetzt und weitergeleitet. Wissenschaftler können diese geochemischen Signale dann messen.

Frühere Forschungen gingen davon aus, dass ein Zusammenhang zwischen Gesteinsbrüchen und Veränderungen der Nuklidsignale bestehe, und in Laborexperimenten hätten andere Forscher „durchweg nachgewiesen, dass Gesteinsbrüche und -verformungen messbare Veränderungen der Nuklidemissionen auslösen können“, so Mao.

Beobachtungen in der Natur haben zudem Umweltveränderungen mit der Freisetzung von Nukliden in Verbindung gebracht, die Gestein schwächen. Im Jahr 1995 stellten Wissenschaftler in Kobe, Japan, neun Tage vor einem Erdbeben der Stärke 7,2 einen Anstieg der Radonemissionen aus Gesteinsformationen fest.

Nuklidsignale entstehen in der Regel in unterirdischen Gesteinsschichten, können jedoch an der Oberfläche erfasst werden. Sie können als Frühwarnung vor geologischen Gefahren dienen, doch trotz jahrzehntelanger Beobachtungen ist es Wissenschaftlern bislang nicht gelungen, Nuklidanomalien mit Veränderungen der Gesteinseigenschaften in Verbindung zu bringen, was die Möglichkeiten zur Überwachung von Nuklidemissionen einschränkt.

„Unsere Arbeit schließt diese Lücke, indem sie eine theoretische Grundlage für die Interpretation dieser Signale liefert und damit den Weg für nuklidbasierte Vorhersagen sowie eine verbesserte Frühwarnung vor Georisiken und ein optimiertes Management im Bereich des Felsbaus ebnet“, sagte Mao.

Das Team analysierte zwei frühere Langzeitbeobachtungen der Nuklidfreisetzung aus beanspruchten Gesteinen. Bei der einen handelte es sich um einen Bericht über ein Experiment, bei dem die Radonemissionen in einem Granitzylinder über einen Monat hinweg beobachtet wurden, während dieser nachgab und schließlich zerbrach. Der andere Bericht bezog sich auf ein dreijähriges Experiment, bei dem die Radonemissionen an einem Felshang in der Nähe eines Stausees in den französischen Alpen verfolgt wurden. Für die neue Studie wertete das Team die Beobachtungsdaten aus, erstellte ein Modell zur Analyse der zeitlichen Veränderungen der Signale und ordnete diese den fortschreitenden strukturellen Veränderungen im Gestein zu.

„Unser Modell zeigt, wie sich die Nuklidsignale im Verlauf des Gesteinsbruchs in vier Phasen entwickeln: Rissbildung, Rissöffnung, Rissausdehnung und Rissausbreitung“, sagte Mao. „Diese Phasen entsprechen unterschiedlichen Signaleigenschaften, die quantitativ ausgewertet werden können.“

Das Modell kann sowohl im Labor als auch in der Natur eingesetzt werden

Das Modell bildete Radonsignale in allen Gesteinsschichten nach, wobei diese in Laborexperimenten schwächer wurden und unterbrachen. Bei Feldanwendungen, bei denen natürliche Systeme eine Rolle spielen, die komplexer sind als kontrollierte Laborexperimente, erklärte das Modell die Signale, die bei der Überwachung des Grundgesteins erfasst wurden.

Die Arbeit bietet Anwendungsmöglichkeiten für die Vorhersage von Georisiken wie Erdbeben und könnte Wissenschaftlern dabei helfen, Landschaften in der Nähe von Stauseen zu überwachen, wo der Wasserstand die Stabilität des Gesteins beeinflussen kann.

„In solchen Umgebungen liefern Nuklidsignale einen sensitiven und potenziell in Echtzeit verfügbaren Indikator für strukturelle Veränderungen im Untergrund und bieten damit wertvolle Informationen für die Frühwarnung und das Risikomanagement“, sagte Mao.

Die Feldmessungen zeigten jedoch auch den Einfluss externer Faktoren, die die Nuklidsignale in natürlichen Umgebungen beeinflussen können.

„Beispielsweise weisen Tiefenflüssigkeiten wie Thermalwasser oder Sole oft einen höheren Salzgehalt oder eine höhere Temperatur auf, was die Freisetzung und Übertragung von Nukliden verstärken und zu verstärkten Signalen führen kann“, erklärte Mao. „Wenn Gesteinsbrüche mit diesen Tiefenflüssigkeitswegen in Verbindung stehen, spiegeln die beobachteten Signale möglicherweise sowohl strukturelle Veränderungen als auch Flüssigkeitsvermischungsprozesse wider. Die Einbeziehung dieser Effekte in das Modell wird ein wichtiger Schwerpunkt für die zukünftige Arbeit sein.“

Nach der Feinabstimmung des Modells könnte sich möglicherweise die Geschwindigkeit verbessern, mit der es veränderte Nuklidsignale interpretieren kann, um vorherzusagen, wann Gestein kurz vor dem Versagen steht.

„Zwar beginnt unser Modell, die Zeitskalen der Signalentstehung und -übertragung zu quantifizieren, doch wurde dieser Aspekt unter Feldbedingungen noch nicht vollständig validiert“, sagte Mao. „Die Schließung dieser Lücke wird entscheidend sein, um unser Konzept in praktische Frühwarnsysteme für Georisiken umzusetzen.“

Das Team hat bereits an drei Standorten in China Radonmessstationen eingerichtet: am Erdrutsch von Huangtupo im Gebiet des Drei-Schluchten-Stausees, am Erdrutsch am Stauseeufer in der Nähe des Wasserkraftwerks Xiluodu und am Hang der Po Shan Road in Hongkong, erklärte Jia-Qing Zhou, außerordentlicher Professor an der Universität Wuhan in China.

„Diese Anlagen werden eingesetzt, um hydrogeochemische Vorläufer potenzieller Georisiken zu erfassen und so unsere Theorie weiter zu validieren und zu verfeinern“, sagte Zhou. „Unsere Forschungsreise ist noch lange nicht zu Ende.“

Quellenhinweis:

Probing rock rupture with naturally occurring nuclide signals | PNAS. Zhou, J.-Q., Mao, R., Luo, X., Cardenas, M.B., Chen, Y.-F., Gan, F.-S., Zhou, C.-B., Li, C., Tang, H., Hu, R., Yang, Z. and Manga, M. 9^th April 2026.