Größtes Erdbebenarchiv zeigt natürliche Porenfluiderhöhung

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Zum besseren Verständnis der durchschnittlichen Wiedereinkehrperiode schwerer Erdbeben sind, neben historischen Aufzeichnungen, vor allem paläoseismologische Untersuchungen essentiell. Während besonders an Subduktionszonen durch viele Untersuchungen die seismische Geschichte weitgehend bekannt ist, fehlen an vielen Intraplattenstörungen diese Daten. Dabei werfen gerade die in jüngster Zeit durch Fluidinjektionen induzierten Erdbeben in Teilen der Welt die Frage nach einem besseren Verständnis auf. Eine Studie aus den USA enthüllte nun das größte bekannte paläoseismologische Archiv einer Störungszone und zeigt natürliche Ursachen für erhöhten Porenfluidanteil. 

Entlang einer Störungszone baut sich über lange Zeit kontinuierlich Spannung auf. So lange, bis die Scherspannung einen kritischen Wert erreicht und es zum Versagen des Gesteins kommt. Ein (mehr oder weniger) großes Erdbeben ist entstanden. Nach dieser Theorie des sogenannten „Elastic Rebound“ müsste es an großen Störungen zum quasiperiodischen Wiederauftreten  solcher Beben kommen. Die lange Wiederkehrperiode, die in vielen Fällen historische Auszeichnungen überschreitet, macht den genauen Nachweis schwierig. Durch Injektion von Flüssigkeiten wird der Porenfluiddruck im Gestein erhöht, was zum schnelleren Versagen führt – der Hauptgrund für induzierte Erdbeben in vielen Teilen der Welt.
An der Loma Blanca Störung im Zentrum des US-Bundesstaates New Mexico konnten Forscher in einer neuen Studie das längste bisher bekannte paläoseismologische Archiv für eine einzige Störungszone nachweisen. Die Loma Blanca Störung liegt am Rand des Rio Grande Valley, knapp 80 Kilometer südlich von Albuqueque, der größten Stadt des Bundesstaates. Die Region ist als Riftzone bekannt. Zahlreiche große Erdbeben in jüngerer Vergangenheit an verschiedenen Störungen sind nachgewiesen.

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Mit Hilfe der Uran-Thorium-Datierung (U-Th) untersuchten die Forscher der University of Wisconsin-Madison Kalzitgänge in Rissen, die coseismisch entstanden sind. Somit konnten 13 unterschiedliche Entstehungszeiten nachgewiesen werden, die mit Aktivität der Störung in Verbindung gebracht werden. Die Datierungen reichen bis zu 550.000 Jahre zurück. Aus den Daten ergibt sich eine nahezu periodische Abfolge von Aktivitätsphasen im Abstand von rund 40.000 Jahren. Das jüngste Ereignis fand demnach vor rund 150.000 Jahren statt.
Eine Ausnahme vor etwa 420.000 Jahren bildet ein seismischer Zyklus. Mindestens drei schwere Erdbeben traten hier in einem Zeitraum von wenigen 10.000 Jahren auf. Daraus resultiert eine Wiederkehrperiode, die deutlich unter dem Durchschnitt der Störungsaktivität liegt.

Da sich das Stressfeld während dieser Zeit nicht groß verändert hat, wie ähnliche Wiederkehrperioden im Rio Grande Tal belegen, nahmen die Forscher an, dass die hohe Erdbebenfrequenz, wovon nur die größten Ereignisse nachgewiesen sind, durch äußere Einflüsse verursacht wurde.
Chemische Untersuchungen der Kalzitgänge ergaben einen hohen Kohlenstoffanteil, wahrscheinlich bedingt durch einen hohen CO2-Anteil. Daraus schlossen die Forscher auf eine abnormal hohe Fluidaktivität während dieser Phase. Durch den daraus folgenden höheren Porenfluiddruck kam es zum häufigeren Versagen des Gesteins. Spekuliert wird, dass eine frühe Aktivitätsphase der Socorro-Magmakammer, die sich unterhalb des Rio Grande Tals befindet, zur hohen Fluidaktivität geführt hat.

Die Ergebnisse zeigen, dass auch eine natürliche Zunahme von Porenfluiden zu einen deutlichen Anstieg der Erdbebenaktivität an Störungszonen führt, wie es unter anderem in den US-Bundesstaaten Oklahoma und Kansas aktuell im Rahmen der Kohlenwasserstoffförderung künstlich geschieht.

Veröffentlichung: Reading a 400,000-year record of earthquake frequency for an intraplate fault
Randolph T. Williams, Laurel B. Goodwina, Warren D. Sharp and Peter S. Mozleyc
Weitere Informationen: http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1617945114


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Jens ist 22, lebt in Bochum und studiert seit 2013 an der Ruhr-Universität Geowissenschaften. Nach dem Bachelor-Abschluss 2016 folgte das M.Sc. Studium der Geophysik.