Eine neue Methode zur Datierung alter Erdbeben und Gesteinsstörungen

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Die Erfassung der Geschichte von Erdbeben, die durch das Aufbrechen des Untergrunds hervorgerufen wurden, ist wichtig für die Vorhersage der seismischen Aktivität und der Entwicklung der Plattentektonik. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlicht wurde, stellt ein Forscherteam (Linnaeus University) eine neue Mikroskalentechnik vor, mit der das Alter von Kristallen bestimmt werden kann. Diese Kristalle sind während der wiederholten Aktivität von natürlichen Gesteinsbrüchen über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren gewachsen.

Die dramatische Energiefreisetzung eines Erdbebens entsteht, wenn sich die Gesteinssegmente durch den Zusammenstoß oder die Ausbreitung der tektonischen Platten, aus denen die Erdkruste besteht, in relativ entgegengesetzte Richtungen zueinander bewegen. Die Bewegung erfolgt entlang von Verwerfungsebenen, in denen gleichzeitig neue Mineralkristalle wachsen.

Das bis zu zwei Milliarden Jahre alte Grundgestein Skandinaviens zeigt ein ausgedehntes Netzwerk von Brüchen, die in verschiedenen Zeitabschnitten von der Frühgeschichte der skandinavischen Erdkruste bis hin zur Neuzeit entstanden sind. In Gesteinsproben, die aus Tiefenbohrungen in Schweden gewonnen wurden, zeigt die neue mikroskopische Radioisotopen-Datierung einzelner Bruchkristalle die dominierenden Bruchepisoden, die Skandinavien betreffen.

Bruchflächen (a,d, Fotos) und Mikrotexturen (b,c, e-g rückgestreute REM-Bilder, die repräsentative, detaillierte Beispiele für gemeinsame Merkmale der Bruchflächen zeigen). (a-c) Proben, die Proterozoische Alter ergaben, und (d-g) Proben, die paläozoische Alter ergaben. (a) Fotografie der glatten, offenen Bruchfläche der Probe DZ4:-549. (b) Illite an den äußersten Spitzen einer abgestuften, glatten Bruchfläche, Probe DZ4:-549. (c) Adularien, die an den äußersten Spitzen der Stufen einer glatten Bruchfläche in Probe ZFM1203:-112 gewachsen sind. (d) Probe DZ1:-122, mit sinistraler Bewegung, angezeigt durch Kalzitstufen und Lineation auf Illit (hellgrün), Chlorit (dunkelgrün) und hämatitisch gefärbten Orthoklas (rot). e) BSE-REM-Aufnahme der Bruchfläche in d) mit glattem Gewebe und gestufter Darstellung der Bruchfläche mit Orthoklas und Kalzit, die an den äußersten Spitzen gewachsen sind. f) Glattes Gewebe und gestufte Oberflächen mit Adularia und Kalzit an den äußersten Spitzen, Muster ZFMA2:-171. g) Glattes Gewebe und gestufte Oberflächen mit Illit, Adularia und Kalzit an den äußersten Spitzen, Muster ZFMA2:-44. Die Bewegung der fehlenden Blöcke über die Bruchflächen ist angezeigt, wie in dieser Studie anhand des abgestuften Erscheinungsbildes der Bruchflächenmorphologie (Slickenfibres) und der Orientierung der Slickenlinien interpretiert wird. Die Relativbewegung der Bruchfläche erfolgt somit in entgegengesetzter Richtung des Pfeils.
(Quelle: s. Veröffentlichung)

“Das Alter der von uns analysierten Kristalle stimmt mit mehreren unterschiedlichen Perioden ausgedehnter Gebirgsbildung überein, als die Plattengrenzen direkt an Skandinavien angrenzten. Diese zeitlichen Beschränkungen zeigen, dass unser neu entwickelter Ansatz geeignet ist, auch komplexe Bruchgvorgänge zu entschlüsseln”.

erklärt Mikael Tillberg, Doktorand an der Universität Linnaeus, Schweden, und Erstautor der Arbeit:

“Bestimmte Minerale enthalten radioaktive Elemente, bei denen bestimmte Isotope mit der Zeit zerfallen. Die Häufigkeiten dieser Isotope in winzigen Kristallen, die sich auf Bruchflächen gebildet haben, werden mit hoher Präzision und detaillierter räumlicher Auflösung vermessen”.

Thomas Zack, Universität Göteborg, Schweden, ein Co-Autor der Studie

“Der Zusammenhang zwischen Kristallwachstum und der Reibungsbewegung von Erdbeben wird durch die Identifizierung von Schlierenlinien, die sich durch die Bewegung an Bruchflächenkristallen bilden, sichergestellt. Diese mikroskopische Untersuchung geht der Altersanalyse voraus, um ein einfaches und robustes Verfahren zur Datierung von Verwerfungen zu ermöglichen”, ergänzt Henrik Drake von der Linnaeus Universität, Mitautor.

“Wiederholte Erdbebenepisoden erzeugen eine chaotische Anordnung von gebrochenem Gestein und Mineralwachstum selbst in einem einzelnen Kristall oder auf einer bestimmten Bruchfläche. Mit unserer Methodik können diese Sequenzen aufgelöst und die mikroskaligen Mechanismen, die beim Bruch auftreten, mit kontinentalen plattentektonischen Kräften verknüpft werden. Dies ermöglicht die Rekonstruktion von geologischen Modellen für verschiedene Anwendungen wie Seismik und Infrastrukturtechnik”.

fasst Mikael Tillberg die Bedeutung und mögliche zukünftige Anwendungen dieser Technik zusammen.

Veröffentlichung: Tillberg, M., Drake, H., Zack, T. et al.In situ Rb-Sr dating of slickenfibres in deep crystalline basement faults. Sci Rep10, 562 (2020) doi:10.1038/s41598-019-57262-5

Quelle: off. Pm des Schwedischen Forschungsrates – The Swedish Research Council


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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