Echtzeitbeobachtung von Scherwellen an der Oberfläche - Erste direkte Beobachtung von subduzierender kontinentaler Kruste bei der Kollision zweier Kontinente
27.08.2013 | Potsdam: Erdbebenschäden an Gebäuden entstehen vorwiegend durch Scherwellen, die ihre Energie, vom Erdbeben ausgehend, auf die Häuser übertragen. Diese Scherwellen werden entscheidend beeinflusst durch den Untergrund und die Topographie des Geländes. Eine genaue Kenntnis der Geländeform und der oberflächennahen Untergrundstruktur ist daher eine wichtige Voraussetzung für eine lokale Gefährdungseinschätzung und zur Beurteilung von Bodeneffekten, die am Standort das Beben verstärken können.
Einem Team von Wissenschaftlern des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ ist es nun mittels eines neu entwickelten seismischen Tomographieverfahrens gelungen, komplexe Untergrundstrukturen im Gelände nahezu in Echtzeit abzubilden, wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Geophysical Journal International nachweisen.
Das Verfahren basiert einzig auf der Aufzeichnung und Auswertung des immer vorhandenen seismischen Umgebungsrauschens. „Dazu gehören kaum spürbare, kleine Erdbeben ebenso wie durch den Mensch und die Natur angeregte Bodenschwingungen“, erläutert GFZ-Forscher Marco Pilz. Mit Hilfe dieser Signale kann ein komplexes Bild des Untergrundes gewonnen werden. Vor allem können auch Veränderungen des Untergrunds durch Erdbeben oder Hangrutsche nahezu in Echtzeit erfasst und überwacht werden.
„Das Neue an unserer Methode ist zum einen eine direkte Bestimmung der Scherwellengeschwindigkeit. Zum anderen arbeitet wir - im Gegensatz zu vielen anderen Studien - auf der lokalen kleinskaligen Ebene“, führt Pilz weiter aus.
Das Verfahren wurde bereits erfolgreich eingesetzt: Zentralasien ist an vielen Stellen durch Hangrutsche gefährdet. Da üblicherweise bei einem Hangrutsch vor dem Rutschvorgang ein starker Abfall der Scherwellengeschwindigkeit eintritt, kann das neue Verfahren dies nahezu in Echtzeit erfassen und bietet daher auch die Möglichkeit der Überwachung von Hangrutschungen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich in der Erforschung von Erdbebenrisiken. Die Autoren konnten eine genaue Struktur für ein Teilstück der Issyk-Ata-Verwerfung an der südlichen Stadtgrenze von Bischkek, der kirgisischen Hauptstadt mit rund 900.000 Einwohnern, kartieren und zeigen, dass nahe der Oberfläche eine Aufspaltung in zwei Verwerfungsäste beobachtet werden kann. Das kann Auswirkungen auf die Bruchgeschwindigkeit oder auch ein eventuelles Stoppen des Bruchs der Verwerfung haben.
Zentralasien ist flächendeckend seismisch gefährdet, die damit einhergehenden Prozesse und Risiken werden von Zentralinstitut für Angewandte Geowissenschaften (CAIAG) in Bishkek untersucht, einer gemeinsamen Einrichtung von GFZ und der kirgisischen Regierung.
Woher kommen die Beben?
Der Pamir Tienshan ist Ergebnis des Zusammenstoßes zweier Platten: durch die Kontinent-Kontinent-Kollision von Indien mit Eurasien faltet sich hier ein Hochgebirge auf. Der Zusammenstoß dauert bis heute an, mit der Folge, dass die Erdkruste hier an vielen Stellen bricht: Erdbeben sind das Resultat.
Eine zweite Arbeitsgruppe von GFZ-Wissenschaftlern hat zusammen mit Wissenschaftlern aus Tadschikistan und Forschern des in Kirgistan ansässigen CAIAG den tektonischen Kollisionsvorgang in der Region untersucht. Erstmals konnte hier beobachtet werden, dass kontinentale Kruste bei der Kollision zweier Kontinente in den Erdmantel abtaucht. Wie die Wissenschaftler in dem Fachjournal Earth and Planetary Science Letters berichten, ist die Subduktion von kontinentaler Kruste vorher noch nie direkt beobachtet worden.
Hierfür wurden mit einem speziellen seismologischen Verfahren (der sog. Receiver Function-Methode) Seismogramme ausgewertet, die in einem zwei Jahre andauernden Feldexperiment im Tien Shan und Pamir-Hindu Kush-Gebiet gemessen wurden. Die Kollision der Indischen und der Eurasischen Platte nimmt dort ein extremes Ausmaß an.
„Diese extremen Bedingungen führen dazu, dass die Eurasische Unterkruste in südliche Richtung in den Erdmantel subduziert“, erklärt Felix Schneider vom Deutschen GeoForschungsZentrum. „Solch ein Abtauchen beobachtet man normalerweise beim Zusammenstoß von ozeanischer mit kontinentaler Kruste, da die Ozeanböden schwerer sind als die kontinentalen Gesteine.“
Erste Hinweise hatten sich durch Funde metamorpher Gesteine an der Erdoberfläche ergeben, die unter ultrahohem Druck im Erdmantel entstanden sein mussten und die damit als Indizien für Subduktionsprozesse gelten. Zudem stellte sich die Frage, wie das Auftreten zahlreicher Erdbeben in ungewöhnlicher Tiefe von bis zu 300 Kilometern im oberen Erdmantel zu erklären ist. Durch die Beobachtung des subduzierenden Teils der Eurasischen Unterkruste konnte dieses Rätsel gelöst werden.
M. Pilz, S. Parolai, D. Bindi, “Three-dimensional passive imaging of complex seismic fault systems: evidence of surface traces of the Issyk-Ata fault (Kyrgyzstan)”, Geophysical Journal International, September 2013, 194(3), 1955-1965, doi:10.1093/gji/ggt214
Schneider, F. M.; Yuan, X.; Schurr, B.; Mechie, J.; Sippl, C.; Haberland, C.; Minaev, V.; Oimahmadov, I.; Gadoev, M.; Radjabov, N.; Abdybachaev, U.; Orunbaev, S.; Negmatullaev, S. (2013): “Seismic imaging of subducting continental lower crust beneath the Pamir”, Earth and Planetary Science Letters, Volume 375, August 2013, S. 101-112, doi: 10.1016/j.epsl.2013.05.015
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