Neue 3D-Bilder gibt es nie

17. August 2023

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von GNS Science

Aotearoa Neuseelands größte Verwerfung, die Hikurangi-Subduktionszone (HSZ), liegt dort, wo die pazifische tektonische Platte nach Westen unter die australische Platte und unter die Ostküste der Nordinsel abtaucht.

In einigen Teilen der Subduktionszone zeigen GPS-Instrumente, dass sich die Platten langsam um einige Millimeter pro Jahr bewegen. Dieses Verhalten wird als „langsamer Schlupf“ bezeichnet und tritt über Zeiträume von Wochen oder Monaten auf. An anderen Stellen kleben die Platten jedoch fest, sind miteinander verriegelt und bauen Druck auf.

Durch das Verständnis der strukturellen Faktoren, die die glatteren Gleit- und Steckzonen erzeugen, versuchen Wissenschaftler, besser zu diagnostizieren, welche Gebiete potenziell zukünftige Erdbeben und Tsunamis verursachen könnten. Als Aotearoas größte Quelle potenzieller Erdbeben und Tsunamis ist es von entscheidender Bedeutung, die HSZ in hochauflösenden Details zu verstehen.

Im Jahr 2018 nutzte eine Zusammenarbeit von Forschern aus den USA, Japan, Großbritannien und GNS Science das RV Marcus Langseth, um zahlreiche überlappende „seismische Reflexionsdaten“-Linien der Rennstrecke aufzuzeichnen. Die Daten wurden zusammen mit dem Einsatz von Meeresbodenseismographen und Onshore-Seismometern im Rahmen einer sogenannten „NZ3D“-Erhebung gesammelt.

Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit, die sich über drei aktuelle hochkarätige Veröffentlichungen erstreckt, haben die ersten spektakulären seismischen 3D-Bilder des nördlichen Teils des Hikurangi-Randes nun neue Erkenntnisse zum Verständnis der strukturellen, stratigraphischen und hydrogeologischen Eigenschaften der HSZ dokumentiert.

Das Verständnis dieser Eigenschaften, insbesondere ihres Transports von Flüssigkeiten, ist der Schlüssel zum Verständnis der Bedingungen, die zur Entstehung von Subduktionsbeben führen.

Seismische Reflexionsdaten sind typischerweise die Art und Weise, wie Geophysiker die Erdkruste visualisieren. Um diese Daten zu erfassen, schleppt ein Spezialschiff, in diesem Fall das Wohnmobil Marcus Langseth, eine Reihe einzelner Schallquellen, die so abgestimmt und kombiniert sind, dass sie eine Schallwelle nach unten zum Meeresboden abstrahlen. Die Echos, die von Erdschichten zurückgeworfen werden, werden auf einem hinter dem Schiff gezogenen Streamer und auf empfindlichen Seismographen an Land und auf dem Meeresboden aufgezeichnet.

Während ein Gitter aus 2D-Profilen gut genug ist, um die wichtigsten Plattengrenzstrukturen zu identifizieren, werden diese hochauflösenden 3D-Daten benötigt, um Details innerhalb von Subduktionszonen zu visualisieren und das Verständnis der Verwerfungsgeometrie und des Gleitverhaltens zu verbessern. Die 3D-Daten werden in einem CAT-Scanbild der Subduktionszone kombiniert, das die Architektur und Eigenschaften der Grenze zwischen tektonischen Platten zeigt und zur Variabilität der Lage starker und seismogener im Vergleich zu schwach gleitenden Segmenten beitragen kann.

Die 3D-Daten liefern neue Einschränkungen für die physikalischen Bedingungen und Gesteinseigenschaften, um Computersimulationen und Vorhersagen von Erdbeben, Bodenerschütterungen und Tsunami-Überschwemmungen zu ermöglichen, die erheblich zu einer verbesserten Gefahrenvorsorge und -reaktion beitragen.

Im Juni 2023 berichtet ein Nature Geoscience-Artikel darüber, wie die NZ3D-Daten einen Seeberg (Unterwasservulkan) erfassen, der beim Subduzieren unter den flachen Teil des Hikurangi-Randes gefangen ist und in seinem Kielwasser Sedimentlinsen bildet, die das langsame Gleiten zu verstärken scheinen.

Darüber hinaus enthüllen die NZ3D-Daten in einem geologischen Artikel eine detaillierte Karte der tieferen Teile der Plattenschnittstelle, die zeigt, dass es kilometerhohe Hügel und Täler gibt.

Die neuen NZ3D-Daten zeigen, dass die Plattenschnittstelle die Art und Weise, wie sich der Rand verformt, stark beeinflussen kann, einschließlich der Lokalisierung sowohl langsamer als auch gefährlicher schneller Erdbeben.

Kürzlich enthüllte ein Science Advances-Artikel, dass ein zuvor verborgenes Wasserreservoir in den Schichten der Pazifischen Platte durch den Subduktionsprozess verschluckt wurde.

Die neuen Erkenntnisse legen nahe, dass die subduzierende Platte aus Vulkangestein als verstärkte Wasserquelle fungiert, die das Rutschverhalten des Randes beeinflusst. Das eingeschlossene Wasser steht unter Druck und führt dazu, dass die Plattengrenze schwach ist und bei langsamem Schlupf dazu neigt, sich zu lösen und zu rutschen. Die Studie unterstreicht das Vorhandensein erheblicher Wasserlieferungen aus dem einströmenden Pazifik an Quellen mit langsamer Strömung, die bisher unbekannt waren.

„Wichtig ist, dass wir in der Lage sind, die Lage wasserreicher Schichten zu bestimmen, die ein sanftes Gleiten ermöglichen, im Vergleich zu anderen wasserarmen Segmenten, die stecken bleiben und bei schnellen Erdbeben wahrscheinlich reißen werden“, sagt Dr. Stuart Henrys, Projektleiter und leitender Wissenschaftler. GNS-Wissenschaft.

Die Hoffnung besteht darin, dass diese 3D-Bilder der neuen Generation in der Lage sein werden, Bereiche der Plattengrenze zu identifizieren, in denen wasserreiche Schichten ein reibungsloses Gleiten ermöglichen, sowie andere Bereiche, die blockiert und festsitzen.

Durch das Verständnis, wie das Gleitverhalten entlang der Subduktionszone variiert, können Wissenschaftler Gebiete besser diagnostizieren und lokalisieren, die anfälliger für die Entstehung großer Erdbeben sind.

Unsere 3D-Daten liefern auch neue Einschränkungen für die physikalischen Bedingungen und Gesteinseigenschaften, um Simulationen von Erdbeben, Bodenerschütterungen und Tsunami-Überschwemmungen zu ermöglichen, die erheblich zu einer verbesserten Gefahrenvorsorge und -reaktion beitragen.

Henrys sagt: „Unsere einzigartigen 3D-seismischen Daten, die vor der Küste von Gisborne entlang der nördlichen Hikurangi-Subduktionszone erfasst wurden, liefern Durchbrüche im Verständnis der physikalischen Prozesse, die Erdbeben steuern. Weltweit sind Subduktionszonen Orte, an denen eine Platte unter eine andere taucht und bei verheerenden Erdbeben brechen kann Tsunamis wie in Sumatra (2004) und Japan (2011).

„Diese Zonen unterliegen auch einem harmlosen langsamen Rutschverhalten, das Wochen oder Monate anhält. Die Diagnose, ob der Rutsch entlang der Hikurangi-Subduktionszone, unserer größten Verwerfung, schnell oder langsam ist, wird zuverlässigere Prognosen und Bewertungen der Risiken für gefährdete Menschen und Gebäude liefern.“

„Die von uns erfassten 3D-Daten werden in einem medizinischen CAT-Scan-ähnlichen Bild kombiniert und bieten eine supercoole Visualisierung eines kleinen Teils der Subduktionszone. Zum ersten Mal sind wir in der Lage, die Architektur detailliert abzubilden und Eigenschaften der Grenze zwischen tektonischen Platten zu bestimmen.“ . Wichtig ist, dass wir in der Lage sind, die Lage von wasserreichen Schichten zu bestimmen, die ein sanftes Gleiten ermöglichen, im Vergleich zu anderen Segmenten, die wasserarm sind, festsitzen und bei schnellen Erdbeben wahrscheinlich reißen werden.

„Die Ergebnisse stellen ein weiteres Teil des Subduktionspuzzles dar, das wir in groß angelegten Erdbebenzyklussimulationen verwenden können, die erheblich zur Verbesserung der Gefahrenvorsorge und -reaktion beitragen.“

Mehr Informationen: Andrew C. Gase et al.: Die Subduktion vulkanoklastischer Oberkruste liefert Flüssigkeiten für flachen Megathrust und langsamen Schlupf, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0150

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