Dringt Wasser in Felsklüfte im Permafrost ein, transportiert es Wärme in die Tiefe – und taut dort das gefrorene Gestein auf. Welche Prozesse den Fels dabei destabilisieren, bis hin zum Abbruch, haben Forschende des SLF an einem prominenten Beispiel untersucht: Am 13. Juni 2023 kollabierte ein freistehender Felspfeiler am Hörnligrat, dem prominentesten Zugang zum Matterhorn. Rund 20 Kubikmeter Gestein stürzten herab, glücklicherweise, ohne jemanden zu verletzen. Zuvor war jahrelang jeweils während der Schneeschmelze Wasser in den Fels unterhalb des Pfeilers gelangt, hatte das Gestein vorübergehend aufgetaut, geschwächt und so schrittweise destabilisiert. «Der Klimawandel beschleunigt solche Vorgänge. Sie sind mittlerweile ein weit verbreiteter Treiber für die zunehmende Häufigkeit von Steinschlägen im hochalpinen Permafrost», sagt SLF-Forscher Samuel Weber.
Neun Jahre lang beobachteten und vermassen die Forschenden den Felspfeiler. Wichtigster Teil war ein GNSS-Empfänger (siehe Kasten). Mit dessen Hilfe konnten sie jede Bewegung des Pfeilers millimetergenau erfassen. Diese Messreihe verglichen sie unter anderem mit seismischen Signalen (siehe Kasten), Bildern einer Zeitrafferkamera sowie Laseraufnahmen. Auf Basis von Gesteinsproben vom Hörnligrat holten sie den Felspfeiler im Rahmen einer internationalen Kooperation ins Labor. «Das Auftauen reduziert den kritischen Reibungswinkel deutlich, unter dem eine Felsmasse in Bewegung gerät», hat Weber so herausgefunden. Die Erkenntnisse übertrug er in ein Computermodell. Mit Erfolg, die Simulation gab die gemessenen Bewegungen am Matterhorn eins zu eins wieder.

Kettenreaktion im Fels
Gleich drei Effekte erhöhen die Instabilität: In Folge des Klimawandels schmilzt das im Permafrost vorhandene Eis, das den Fels bislang versiegelt hat. Dadurch kann Wasser in die Tiefe vordringen. Das baut Druck auf das Gestein auf. Gleichzeitig bringt das Wasser wärmere Temperaturen in den Untergrund. Eine Kettenreaktion, denn so tauen Permafrost und Eis noch schneller auf – was wiederum dem Wasser und somit der Wärme Wege noch weiter in die Tiefe ermöglicht. «Zudem reduziert sich dadurch auch noch die Reibung an der Bruchstelle um bis zu zu 50 Prozent, was das Gestein zusätzlich schwächt», sagt Weber.

Zehn Tage bis zum Abbruch
Am Hörnligrat wurde das Zusammenspiel dieser Effekte eindrucksvoll sichtbar. Über Jahre neigte sich die Felspfeiler langsam, ab 2022 jedoch immer schneller. «Zeitrafferaufnahmen dokumentieren eine sichtbare Beschleunigung in den 10 Tagen vor dem Abbruch im Juni 2023», sagt Weber (siehe Video/Fotostrecke?). Gleichzeitig lieferten drei Seismometer in der Nähe Hinweise auf die Dynamik des sich abzeichnenden Abbruchs. «Wetterdaten und die Temperaturen im Permafrost deuten darauf hin, dass eindringendes Wasser ein schnelles, kurzfristiges Auftauen in der Tiefe bewirkt hat und entscheidend für das Ereignis waren», erklärt Weber.
Um die Gefahr von Felsstürzen im Permafrost besser einschätzen zu können, will Weber mehr über die Wechselwirkung von Temperatur, Wasser und Eis im gefrorenen Gestein und deren mechanischer Auswirkung herausfinden. Dazu benötigt er weitere Daten: «Wir fokussieren uns jetzt auf die Rolle des Wassers und kombinieren hierfür verschiedene Messmethoden.»