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Subduktionszonen – Orte, an denen eine tektonische Platte unter eine andere absinkt – sind die Orte, an denen sich die größten und schädlichsten Erdbeben der Welt ereignen. Eine neue Studie unter der Leitung der University of Texas at Austin hat herausgefunden, dass wenn Unterwasserberge – auch als Meeresberge bekannt – in Subduktionszonen gezogen werden, diese nicht nur die Voraussetzungen für diese starken Beben schaffen, sondern auch Bedingungen schaffen, die sie letztendlich abschwächen.
Die Studie wurde nun in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht und von Tian Sun geleitet, die derzeit als Forschungswissenschaftlerin am Geological Survey of Canada tätig ist. Weitere Co-Autoren sind Susan Ellis, eine Wissenschaftlerin am neuseeländischen Forschungsinstitut GNS Science. Saffer beaufsichtigte das Projekt und war Suns Postdoc-Berater an der Penn State, als sie die Studie begannen.
Die Ergebnisse sollten die Wissenschaftler dazu veranlassen, bestimmte Gebiete rund um einen subduzierenden Meeresberg sorgfältiger zu überwachen, sagten die Forscher. Diese Maßnahme könnte helfen, besser zu verstehen und vorherzusagen, wo zukünftige Erdbeben am wahrscheinlichsten auftreten werden.
“Die Erdkruste vor dem subduzierenden Meeresberg wird brüchig, wodurch starke Erdbeben begünstigt werden, während das Material dahinter weich und schwach bleibt, so dass Spannungen sanfter abgebaut werden können”, sagte Co-Autor Demian Saffer, Direktor des University of Texas Institute for Geophysics (UTIG), einer Forschungseinheit der University of Texas at Austin Jackson School of Geosciences.
Die Forscher verwendeten ein Computermodell, um zu simulieren, was geschieht, wenn Meeresberge in die durch Subduktionszonen entstandenen Gräben eindringen. Dem Modell zufolge wird der vor ihm liegende Meeresboden brüchig, da sein langsames Vorrücken Wasser herausdrückt und die Masse verdichtet. In seinem Kielwasser hinterlässt der Meeresberg jedoch eine Spur von weicherem, nassem Sediment. Das harte, brüchige Gestein kann eine Quelle für starke Erdbeben sein, da sich die von der subduzierenden Platte erzeugten Kräfte in ihr aufbauen – aber das geschwächte, nasse Material hinter dem Meeresberg erzeugt einen gegenteiligen, dämpfenden Effekt auf diese Beben und Erschütterungen.
Obwohl Meeresberge in allen Ozeanen zu finden sind, bedeutet die außergewöhnliche Tiefe, in der die Subduktion stattfindet, dass das Erforschen und Abbilden eines subduzierenden Meeresberges extrem schwierig ist. Deshalb waren sich die Wissenschaftler bisher nicht sicher, ob Meeresberge die Art und das Ausmaß von Erdbeben in Subduktionszonen beeinflussen können.
Die aktuelle Forschung löst das Problem durch die Erstellung einer realistischen Computersimulation eines subduzierenden Meeresberges und die Messung der Auswirkungen auf das umgebende Gestein und Sediment, einschließlich der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Spannungen in der Erde und dem Flüssigkeitsdruck im umgebenden Material. Um realistische Daten für das Modell zu erhalten, wurden Experimente an Gesteinsproben durchgeführt, die durch wissenschaftliche Meeresbohrungen vor der japanischen Küste aus Subduktionszonen entnommen wurden.
Die Wissenschaftler bezeichnen die Ergebnisse des Modells als völlig überraschend. Sie hatten erwartet, dass Wasserdruck und Spannung das Material am Kopf des Berges aufbrechen und somit die Felsen schwächen, nicht aber verstärken würden.
“Der Meeresberg erzeugt eine Rückkopplungsschleife in Bezug darauf, wie Flüssigkeiten herausgepresst werden und die mechanische Reaktion des Gesteins den Flüssigkeitsdruck ändert”, sagte Ellis, der den numerischen Code, der das Herzstück der Studie darstellt, mitentwickelt hat.
Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihr Modell zuverlässig ist, da das von ihm vorhergesagte Erdbebenverhalten konsistent mit dem Verhalten realer Erdbeben übereinstimmt.
Während das geschwächte Gestein, das nach den Meeresbergen zurückbleibt, große Erdbeben dämpfen kann, glauben die Forscher, dass es ein bedeutender Faktor bei einer Art von Erdbeben sein könnte, die als langsames Rutschereignis bekannt ist. Diese Beben in Zeitlupe sind einzigartig, weil es Tage, Wochen und sogar Monate dauern kann, bis sie sich entladen.
Laura Wallace, eine Forscherin an der UTIG und der GNS Science, die als Erste neuseeländische Zeitlupen-Ereignisse dokumentierte, stellt fest, dass die Forschung eine Demonstration dafür sei, wie geologische Strukturen in der Erdkruste ein ganzes Spektrum seismischer Aktivitäten beeinflussen können.
“Die Vorhersagen des Modells stimmen sehr gut mit dem überein, was wir in Neuseeland sehen, wo kleine Erdstöße und Beben im Verhältnis zum Meeresberg auftreten”, sagte Wallace, die nicht an der vorliegenden Studie beteiligt war.
Sun glaubt, dass ihre Untersuchungen dazu beigetragen haben, eine Wissenslücke über Meeresberge zu schließen, aber dass die Forschung von weiteren Messungen profitieren wird.
“Wir benötigen immer noch hochauflösende geophysikalische Bilder und die Überwachung von Offshore-Erdbeben, um die Muster der seismischen Aktivität besser nachvollziehen zu können”, sagte Sun.
Veröffentlichung: Mechanical and hydrological effects of seamount subduction on megathrust stress and slip, Nature Geoscience (2020). DOI: 10.1038/s41561-020-0542-0 , https://nature.com/articles/s41561-020-0542-0
Quelle: off. Pm der University of Texas at Austin
Titelbildunterschrift: Der Unterwasserberg liegt vor der Küste Neuseelands und ist Schauplatz einer Bohrexpedition des International Ocean Discovery Program. Der Meeresberg wird eines Tages mit der Hikurangi-Subduktionszone kollidieren. Dies führt zu Bedingungen, die Erdbeben erzeugen und dämpfen. (Grafik: Andrew Gase, Nationales Institut für Wasser- und Atmosphärenforschung)
Pia Gaupels
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