Tiefe Erdbeben in subduzierenden Platten stammen aus hochanisotropen Gesteinsschichten

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Forscher wissen seit Jahrzehnten, dass tiefe Erdbeben – die tiefer als 60 Kilometer unter der Erdoberfläche liegen – seismische Energie anders ausstrahlen als jene, die näher an der Oberfläche entstehen. Aber es fehlte bislang ein systematischer Ansatz, um das Warum zu verstehen. Jetzt hat ein Team von Forschern der University of Houston einen Weg zur Analyse seismischer Wellenstrahlungsmuster für tiefe Erdbeben beschrieben, um belegen zu können, dass  sich globale tiefe Erdbeben in anisotropen Gesteinen entwickeln.

Die Gesteinsanisotropie bezieht sich auf Unterschiede in den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der seismischen Wellen, wenn sie entlang verschiedener Richtungen gemessen werden.

Die meisten Erdbeben treten laut der US Geological Survey in geringen Tiefen auf und verursachen im Allgemeinen größere Schäden, als tiefere Erdbeben. Aber es gibt immer noch substanzielle Fragen über die Ursachen von tiefen Erdbeben.

Normale Gesteine sind in diesen großen Tiefen aufgrund der hohen Temperatur duktil oder biegsam und können daher nicht abrupt reißen, um so tiefe Erdbeben zu erzeugen, wie es unterhalb von Subduktionszonen auftritt, in denen zwei tektonische Platten in Meeresgräben kollidieren. Die unten liegende Platte wird als die subduzierte Platte bezeichnet. Die Tatsache, dass tiefe Erdbeben nur in diesen Gebieten auftreten, deutet darauf hin, dass innerhalb der Platte ein ungewöhnlicher Prozess stattfindet.

Yingcai Zheng, Assistenzprofessor für seismische Bildgebung am UH-College für Naturwissenschaften und Mathematik und Co-Autor des Artikels betont, dass Seismologen seit der Entdeckung  1926 versuchen, die ablaufenden Prozesse, die tiefe Erdbeben auslösen, zu verstehen. Hypothesen beinhalten die Wirkung von Flüssigkeiten, durchgehende thermische Erwärmung oder Festphasenänderungen aufgrund eines plötzlichen Zusammenbruchs der Mineralkristallstruktur.

“In den letzten 50 Jahren hat es immer mehr Beweise dafür gegeben, dass ein großer Teil der tiefen Erdbeben nicht dem  Doppelpaarstrahlungsmuster (double Couple pattern) folgt, das bei den meisten flachen Erdbeben beobachtet wird”, sagte Zheng. “Wir möchten verstehen, wieso das so ist.” Das Doppelpaarmuster wird durch einen Scherbruch einer vorbestehenden Störung verursacht.

Die Arbeit untersuchte mögliche Gründe für die unterschiedlichen Strahlungsmuster; Zheng sagt, dass frühere Theorien nahelegen, dass tiefe Erdbeben von anderen Bruchmechanismen und möglicherweise anderen physikalischen und chemischen Prozessen herrühren als von solchen, die flache Erdbeben auslösen.

Doch nach dem Studium der Strahlungsmuster von 1.057 tiefen Erdbeben in sechs Subduktionszonen weltweit haben die Forscher eine weitere Erklärung gefunden. Sie fanden heraus, dass das umgebende Gestein, das das tiefe Beben umschließt, die seismische Strahlung in ein nicht doppeltes Paarungsmuster ändert. “Sowohl die üblichen Doppelpaar-Strahlungsmuster als auch ungewöhnliche Muster tiefer Erdbeben können gleichzeitig durch einen Scherbruch in einem geschichteten Gestein erklärt werden”, sagte Li.

Bevor die subduzierende Platte in den Graben eintritt, kann sie Meerwasser absorbieren, um hydratisierte, anisotrope Minerale zu bilden. Wenn die Platte in den Erdmantel absinkt, kann das Wasser aufgrund hohen Drucks und hohen Temperaturbedingungen ausgestoßen werden, ein Prozess, der als Dehydrierung bekannt ist. Die Dehydrierung und starke Scherspannungen entlang der Plattengrenzfläche kann das Gestein spröde machen und bei Erdbeben mittlerer Tiefe, die zwischen 60 km und 300 km tief liegen, zum Bruch führen.

“Wir fanden in diesen Tiefen heraus, dass das anisotrope Gestein immer parallel zur Plattenoberfläche ausgerichtet ist, obwohl die Richtung  der Platte von Ort zu Ort stark variieren kann”, sagte Li.

Anisotropie wird auch in Gesteinen in noch größeren Tiefen gefunden, was darauf hindeutet, dass Materialien wie Magnesit oder ausgerichtete Karbonatit-Schmelztaschen bei der Erzeugung der tiefen Risse beteiligt sein könnten, sagten die Forscher. Da die abgeleitete Anisotropie hoch ist – etwa 25 Prozent – ist der allgemein angenommene metastabile Festphasenänderungsmechanismus nicht in der Lage, die von den Forschern ermittelte erforderliche Anisotropie zu liefern.

Veröffentlichung: Jiaxuan Li, Yingcai Zheng, Leon Thomsen, Thomas J. Lapen, Xinding Fang. Deep earthquakes in subducting slabs hosted in highly anisotropic rock fabric. Nature Geoscience, 2018; DOI: 10.1038/s41561-018-0188-3

Quelle: off. Pm der University of Houston

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.