In einem abgelegenen Gebiet identifiziert eine Mischung aus geophysikalischen Methoden den Magmatransfer unter dem Meeresboden als Ursache.
Auch vor der Küste der Antarktis sind Vulkane zu finden. Am lange inaktiven U-Boot-Vulkan Orca wurde 85,000 eine Folge von mehr als 2020 Erdbeben registriert, ein Schwarmbeben, das für diese Region bisher nicht beobachtete Ausmaße erreichte. Dass solche Ereignisse auch in solch abgelegenen und daher schlecht instrumentierten Gebieten bemerkenswert detailliert untersucht und beschrieben werden können, zeigt nun die in der Fachzeitschrift veröffentlichte Studie eines internationalen Teams Kommunikation Erde und Umwelt.
An der Studie, die von Simone Cesca vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam geleitet wurde, waren Forscherinnen und Forscher aus Deutschland, Italien, Polen und den USA beteiligt. Sie waren in der Lage, seismologische, geodätische und Fernerkundungstechniken zu kombinieren, um zu bestimmen, wie der schnelle Transport von Magma aus dem Erdmantel nahe der Kruste-Mantel-Grenze bis fast an die Oberfläche das Schwarmbeben verursachte.
Der Orca-Vulkan zwischen der Spitze Südamerikas und der Antarktis
Schwarmbeben treten hauptsächlich in vulkanisch aktiven Regionen auf. Als Ursache wird daher die Bewegung von Flüssigkeiten in der Erdkruste vermutet. Der Orca Seamount ist ein großer unterseeischer Schildvulkan mit einer Höhe von etwa 900 Metern über dem Meeresboden und einem Basisdurchmesser von etwa 11 Kilometern. Es liegt in der Bransfield Strait, einem Meereskanal zwischen der Antarktischen Halbinsel und den Südshetlandinseln, südwestlich der Südspitze Argentiniens.
„In der Vergangenheit war die Seismizität 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 Unruhe dar“, berichtet Simone Cesca, Wissenschaftlerin in der Sektion 2.1 Erdbeben- und Vulkanphysik des GFZ und Erstautorin der jetzt veröffentlichten Studie. Zeitgleich mit dem Schwarm wurde auf der benachbarten King-George-Insel eine seitliche Bodenverschiebung von mehr als zehn Zentimetern und eine kleine Hebung von etwa einem Zentimeter registriert.
Herausforderungen der Forschung in einem abgelegenen Gebiet
Cesca 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 seismologische Instrumente gibt, nämlich nur zwei seismische und zwei GNSS-Stationen (Bodenstationen der Global Navigation SAtellit SSystem, das die Bodenverschiebung misst). Um die Chronologie und Entwicklung der Unruhen zu rekonstruieren und deren Ursache zu ermitteln, analysierte das Team daher zusätzlich Daten von weiter entfernten seismischen Stationen und Daten von InSAR-Satelliten, die mittels Radarinterferometrie Bodenverschiebungen messen. Ein wichtiger Schritt war die Modellierung der Ereignisse mit einer Reihe geophysikalischer Methoden, um die Daten richtig interpretieren zu können.
Rekonstruktion der seismischen Ereignisse
Die Forscher datierten den Beginn der Unruhen auf den 10. August 2020 zurück und erweiterten den ursprünglichen globalen seismischen Katalog, der nur 128 Erdbeben enthielt, 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 des Schwarmbebens identifizieren die Wissenschaftler eine Magma-Intrusion, das Einwandern größerer Magmamengen, denn seismische Prozesse allein können die beobachtete starke Oberflächenverformung auf King George Island nicht erklären. Das Vorhandensein eines volumetrischen Magmaeinbruchs kann anhand geodätischer Daten unabhängig bestätigt werden.
Ausgehend von ihrem Ursprung wanderte die Seismizität zuerst nach oben und dann seitlich: Tiefere, gehäufte Erdbeben werden als Reaktion auf die vertikale Magmaausbreitung aus einem Reservoir im oberen Mantel oder an der Krusten-Mantel-Grenze interpretiert, während flachere Krustenbeben sich von NO nach SW ausdehnen oben auf dem seitlich wachsenden Magmagang ausgelöst, der eine Länge von etwa 20 Kilometern erreicht.
Die Seismizität nahm Mitte November abrupt ab, nach etwa drei Monaten anhaltender Aktivität, entsprechend dem Auftreten der größten Erdbeben der Serie mit einer Magnitude von Mw 6.0. Das Ende des Schwarms lässt sich durch den Druckverlust im Magmagang erklären, der mit dem Abrutschen einer großen Verwerfung einhergeht, und könnte den Zeitpunkt eines Meeresbodenausbruchs markieren, der jedoch noch nicht durch andere Daten bestätigt werden konnte.
Durch die Modellierung von GNSS- und InSAR-Daten schätzten die Wissenschaftler, dass das Volumen der magmatischen Intrusion von Bransfield im Bereich von 0.26 bis 0.56 km³ liegt. Das macht diese Episode auch zur größten magmatischen Unruhe, die jemals geophysikalisch in der Antarktis beobachtet wurde.
Zusammenfassung
Simone Cesca schlussfolgert: „Unsere Studie stellt eine neue erfolgreiche Untersuchung einer seismo-vulkanischen Unruhe an einem abgelegenen Ort auf der Erde dar, bei der die kombinierte Anwendung von Seismologie, Geodäsie und Fernerkundungstechniken verwendet wird, um Erdbebenprozesse und Magmatransport in schlecht instrumentierten Gebieten zu verstehen Bereiche. Dies ist einer der wenigen Fälle, in denen wir mit geophysikalischen Werkzeugen das Eindringen von Magma aus dem oberen Mantel oder der Kruste-Mantel-Grenze in die flache Kruste beobachten können – eine schnelle Übertragung von Magma aus dem Mantel fast bis an die Oberfläche, die nur wenige Tage dauert .“
Referenz: „Massiver Erdbebenschwarm angetrieben durch magmatische Intrusion in der Bransfieldstraße, Antarktis“ von Simone Cesca, Monica Sugan, Łukasz Rudzinski, Sanaz Vajedian, Peter Niemz, Simon Plank, Gesa Petersen, Zhiguo Deng, Eleonora Rivalta, Alessandro Vuan, Milton Percy Plasencia Linares, Sebastian Heimann und Torsten Dahm, 11. April 2022, Kommunikation Erde & Umwelt.
DOI: 10.1038/s43247-022-00418-5
