Carlini Base auf King George Island, wo sich das Seismometer befindet, das der seismischen Zone am nächsten liegt, und Bransfield Strait. Bildnachweis: Milton Percy Placencia Linares
In einem abgelegenen Gebiet identifiziert eine Kombination geophysikalischer Methoden die Bewegung von Magma unter dem Meeresboden als Ursache.
Auch vor der Küste der Antarktis sind Vulkane zu finden. Am lange Zeit inaktiven Tiefseevulkan Orca wurde die Abfolge von mehr als 85.000 Erdbeben im Jahr 2020 aufgezeichnet, ein Schwarmbeben, das in dieser Region bisher unbeobachtete Ausmaße erreicht hat. Dass solche Ereignisse auch in solch abgelegenen und daher schlecht ausgestatteten Gebieten bemerkenswert detailliert untersucht und beschrieben werden können, zeigt nun eine in der Zeitschrift veröffentlichte internationale Teamstudie. Erd- und Umweltkommunikation.
An der Studie, die von Simon Siska vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam geleitet wurde, waren Forscherinnen und Forscher aus Deutschland, Italien, Polen und den USA beteiligt. Sie waren in der Lage, seismische, geodätische und Fernerkundungstechniken zu kombinieren, um zu bestimmen, wie der schnelle Transport von Magma aus dem Erdmantel nahe der Krustenmantelgrenze fast bis zur Oberfläche ein Schwarmbeben verursachte.
Vulkan Orca zwischen der Spitze Südamerikas und der Antarktis
Schwarmbeben treten hauptsächlich in vulkanisch aktiven Gebieten auf. Daher wird vermutet, dass die Bewegung von Flüssigkeiten in der Erdkruste die Ursache ist. Orca Marine ist ein großer unterseeischer Schildvulkan, der sich etwa 900 Meter über dem Meeresboden erhebt und einen Basisdurchmesser von etwa 11 Kilometern hat. Es liegt in der Bransfield Strait, einem ozeanischen Kanal zwischen der Antarktischen Halbinsel und den Südshetlandinseln, südwestlich der Südspitze Argentiniens.
Illustration der seismisch aktiven Region vor der Antarktis. Bildnachweis: Cesca et al. 2022; Nature Commun Earth Environ 3, 89 (2022); doi.org/10.1038/s43247-022-00418-5 (CC BY 4.0)
In der Vergangenheit waren die Erdbeben in dieser Region moderat. Im August 2020 begann dort jedoch ein intensiver Erdbebenschwarm mit mehr als 85.000 Erdbeben innerhalb eines halben Jahres. Es stellt die größte jemals dort gemessene seismische Störung dar“, berichtet Simone Cesca, Wissenschaftlerin in der Sektion 2.1 für Erdbeben- und Vulkanphysik am GFZ und Erstautorin der jetzt veröffentlichten Studie von mehr als einem Dutzend Zentimeter und ein kleiner Anstieg von etwa einem Zentimeter auf der benachbarten King George Island.
Forschungsherausforderungen in einem abgelegenen Gebiet
Siska untersuchte diese Ereignisse mit Kollegen des National Institute of Oceanography and Applied Geophysics – OGS und der Universität Bologna (Italien), der Polnischen Akademie der Wissenschaften, der Leibniz Universität Hannover, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Potsdam. Die Herausforderung bestand darin, dass es in dem abgelegenen Gebiet nur wenige herkömmliche Seismographen gab, nämlich nur zwei seismische Stationen und zwei GNSS-Stationen (Bodenstationen in JLopal nFlug sSatelliten sSystem, das die Verschiebung der Erde misst). Um die Chronologie der Störungen und ihrer Entwicklung zu rekonstruieren und ihre Ursache zu bestimmen, analysierte das Team daher Daten von entfernten seismischen Stationen und Daten von InSAR-Satelliten, die mittels Radarinterferometrie Bodenverschiebungen messen. Ein wichtiger Schritt bestand darin, die Ereignisse mit einer Reihe geophysikalischer Methoden zu modellieren, um die Daten richtig interpretieren zu können.
Rekonstruktion seismischer Ereignisse
Die Forscher datierten den Beginn der Störungen auf den 10. August 2020 und erweiterten den ursprünglichen globalen Erdbebenkatalog mit nur 128 Erdbeben auf mehr als 85.000 Ereignisse. Der Schwarm erreichte mit zwei großen Erdbeben am 2. Oktober (Mw 5,9) und 6. November (MW 6,0) 2020 seinen Höhepunkt, bevor er abklang. Bis Februar 2021 war die seismische Aktivität deutlich zurückgegangen.
Als Hauptursache für das Schwarmbeben haben Wissenschaftler das Eindringen von Magma und die Migration größerer Magmamengen identifiziert, da seismische Prozesse allein die starke Oberflächenverformung auf King George Island nicht erklären können. Das Vorliegen einer volumetrischen Magma-Intrusion kann anhand geodätischer Daten unabhängig bestätigt werden.
Beginnend an ihrem Ursprung wanderten die Erdbeben zuerst nach oben und dann seitlich: Erdbeben in tiefen Clustern werden als Reaktion auf vertikale Magmaausbreitung aus einem Reservoir im oberen Mantel oder an der Grenze zwischen Kruste und Mantel interpretiert, während Erdbeben an der Oberfläche der Kruste sich nach Nordosten und Nordosten ausdehnen verlaufen auf einem wachsenden Magmadamm seitlich, der eine Länge von etwa 20 Kilometern erreicht.
Die Erdbeben ließen Mitte November nach etwa drei Monaten ununterbrochener Aktivität abrupt nach, was mit dem Auftreten des größten Erdbebens der Reihe mit einer Stärke von 6,0 MW zusammenfiel. Das Ende des Schwarms könnte durch den Druckverlust im Magmadamm erklärt werden, der mit einem großen Verwerfungsschlupf einhergeht, und könnte auf den Zeitpunkt des Meeresbodenausbruchs hinweisen, der jedoch nicht durch andere Daten bestätigt werden konnte.
Durch die Modellierung von GNSS- und InSAR-Daten schätzten die Wissenschaftler, dass das Bransfield-Intrusionsvolumen von Magma zwischen 0,26 und 0,56 Kubikkilometern lag. Dies macht diese Episode auch zum größten magmatischen Ausbruch, der jemals geophysikalisch in der Antarktis beobachtet wurde.
Fazit
Simon Siska schlussfolgert: „Unsere Studie stellt eine erfolgreiche neue Untersuchung seismischer vulkanischer Störungen an einem abgelegenen Ort auf der Erde dar, wo die kombinierte Anwendung von seismischen, geodätischen und Fernerkundungstechniken verwendet wird, um Erdbebenprozesse und Magmatransport in schlecht ausgerüsteten Gebieten zu verstehen. Dies ist einer der wenigen Fälle, in denen wir mit geophysikalischen Instrumenten das Eindringen von Magma vom oberen Mantel oder der Krustenmantelgrenze bis zur flachen Kruste überwachen können – ein schneller Übergang von Magma aus dem Mantel bis fast an die Oberfläche, der nur wenige Tage dauert.“
Referenz: „Massiver Erdbebenschwarm, angetrieben durch geschmolzenes Eindringen in die Bransfield-Straße, Antarktis“ Von Simon Cesca, Monica Sugan, Okasz Rodzinski, Sanaz Fagidian, Peter Nimes, Simon Blanc, Jessa Petersen, Zigo Deng, Eleonora Rivalta, Alessandro Burke-Van Placencia Linares , Sebastian Hyman und Thorsten Dahme, 11. April 2022, hier verfügbar. Erd- und Umweltkommunikation.
DOI: 10.1038 / s43247-022-00418-5