Neue Wellenforminversion-Methode öffnet Fundgrube mit Erkenntnissen zur Entstehung von Erdbeben

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Ein Team britischer Geologen hat eine neue Methode zur Kartierung von Gesteinen des Meeresbodens entwickelt, die den Forschern dabei helfen soll, ein besseres Verständnis zur Entstehung von Erdbeben und Seebeben in der Nähe von tektonischen Plattengrenzen zu erlangen. Ihre Technik kombiniert traditionelles, akustisches Schallwellen-Mapping mit der neuen Methode der “Full Waveform Inversion”. So konnten bereits wertvolle Erkenntnisse zu den vorherrschenden Gesteinen entlang einer Subduktionszone vor der Nordküste Neuseelands gesammelt werden.

Direkt vor der nördlichen Küste Neuseelands schiebt sich die pazifische Platte unter den Rand der australischen Platte – ein Gebiet, das als Hikurangi-Subduktionszone bekannt ist. Sogenannte Subduktionen entstehen, wenn sich zwei tektonische Platten aufeinander zubewegen, wodurch ein konstanter Druck aufgebaut wird, der langfristig dazu führt, dass sich die pazifische Platte, als Teil der ozeanischen Erdkruste, unter der kontinentalen, australischen Platte schiebt. Beim Abtauchen verhaken sich die beiden Platten ineinander und bauen erhebliche Spannungen im Gestein auf, deren ruckartige Freisetzung an der Erdoberfläche zu Erdbeben und Seebeben mit daraus resultierenden Tsunamis führen kann.

Subduktionsprozesse können aber auch stille Beben verursachen, die als “langsame Rutschungen” bekannt sind und ähnliche Energiemengen wie ein typisches Erdbeben freisetzen, jedoch als eine Art Kriechprozess des Untergrundes über Wochen bis Monate anhalten. Dabei kann ebenfalls so viel Gestein bewegt werden wie bei einem herkömmlichen Erdbeben, jedoch verschiebt sich der Untergrund dabei so langsam, dass keine Erschütterungswellen ausgelöst werden; die Platten gleiten nahezu reibungslos übereinander oder aneinander vorbei – und zwar deutlich schneller als im Zuge der üblichen tektonischen Bewegungen. Die konkrete Entstehung solcher Ereignisse ist derzeit noch unbekannt.

Tektonische Plattengrenze unter Neuseeland

“Unsere neue Methode, langsame Rutschereignisse zu studieren, könnte eine Fundgrube an Hinweisen über die Entstehung von Erdbeben in der Nähe von Subduktionszonen enthüllen.“, berichtet Melissa Gray vom Imperial College London’s Department of Earth Science and Engineering.

Aktuelle Gesteinskartierungstechniken verwenden Schallwellen, die in der Lage sind, den Wissenschaftlern ein Bild zu vermitteln, in welchem geologischen Zustand sich die Gesteine der Erdkruste befinden. Das Verfahren baut auf dem Konzept der “akustischen Kartierung” auf, bei der Schallwellen von einem Boot aus zum Meeresboden und durch die darunterliegenden Gesteinsschichten gesendet werden. Die Zeit, die benötigt wird, bis die Wellen die verschiedenen Gesteinsschichten durchlaufen und zum Boot zurückkehren, gibt den Wissenschaftlern Auskunft über die Entfernung zum Meeresboden und sowie der Zusammensetzung der einzelnen Schichten. Die gesammelten Informationen helfen dem Team zu beurteilen, wie sich Gesteine beim Aufbau von endogenen Spannungen verhalten und welchen Energiefreisetzungen sie bei einem Erdbeben konkret ausgesetzt sind.

Nun ist es dem Team um Melissa Gray gelungen, Daten aus der akustischen Kartierung mit der Wellenforminversionstechnik zu verknüpfen. Die Full Waveform Inversion ist ein hochauflösendes Datenanpassungsverfahren, das auf der Vollwellenfeldmodellierung basiert, um quantitativ erhobene Daten aus Seismogrammen zu extrahieren. So können die vorliegenden Informationen in sehr detaillierte Karten des Meeresbodens und der darunterliegenden Gesteinsschichten umgewandelt werden.

Vergleich der Ultraschallbilder der Hikurangi-Subduktionszone vor (links) und nach (Mitte & rechts) der Anwendung der Full Waveform Inversion.

Die Wissenschaftler des Forscherteams nahmen dazu im Vergleich vor und nach der Anwendung der 2D-Wellenforminversion Ultraschallbilder der Subduktionszone auf. Die “Nachher”-Bilder zeigen die Zone in deutlich feineren, höher aufgelösten Details.

So konnten sie im weiteren Verlauf der Forschung ebenfalls eine Störung innerhalb der Subduktionszone darstellen, die den großen Gisborne-Tsunami 1947 ausgelöst hat – ein Beispiel für einen großen Tsunami, der durch ein relativ kleines, langsames Erdbeben verursacht wurde.

Um die Richtigkeit ihrer Daten zu überprüfen, verglichen die Autoren die Daten, die durch die Inversionsmethode kartiert wurden, mit Proben, die aus Bohrungen des International Ocean Discovery Program gewonnen wurden. Sie fanden heraus, dass die Modelle und die realen Daten übereinstimmten, was darauf hindeutet, dass die Wellenforminversion sehr effizient arbeitet und erheblich umfangreichere Informationen liefern kann, als aktuelle Bohrmethoden.

“Mit dieser Technologie erhoffen wir uns, die Entstehungsweise von langsamen Rutschungen endlich nachvollziehen zu können”, so Co-Autorin Rebecca Bell. Als nächstes sei die Kartierung eines speziellen Bereichs der Hikurangi-Subduktionszone geplant, an der die pazifische Platte bis in Tiefen von 10-15 Kilometern abtaucht. “Letztendlich wollen wir verstehen, warum einige Absinkprozesse der tektonischen Platte verheerende Erdbeben verursachen, während andere es nicht tun.”

Quelle: Melissa Gray, Rebecca E. Bell, Joanna V. Morgan , Stuart Henrys, Daniel H.N. Barker, and the IODP Expedition 372 and 375 science parties (2019): Imaging the Shallow Subsurface Structure of the North Hikurangi Subduction Zone, New Zealand, Using 2D Full Waveform Inversion. JGR Solid Earth. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JB017793

Bilderquelle: Gray et al., Imperial College London.

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