SK-ZAGDFG SK-ZAG

DFG-Senatskomission für Zukunftsaufgaben der GeowissenschaftenDFG-Senatskomission für Zukunftsaufgaben der Geowissenschaften
  1. Start >
  2. ..... >
  3. 7 – Die Lithosphäre >
  4. 7.7 – Verformungsmechanismen, Störungssysteme und Erdbeben

7.7 – Verformungsmechanismen, Störungssysteme und Erdbeben

Tektonische Störungssysteme („Tectonic Fault Zones“) sind Zonen, in denen Gesteine intensiv deformiert werden. Diese Systeme treten hauptsächlich an Plattengrenzen auf und sind Ausgangspunkt von Naturkatastrophen wie Erdbeben und Tsunamis. Wegen des erhöhten Fluid- und Wärmetransports tragen sie wesentlich zur Entstehung vieler Metall- und Kohlenwasserstofflagerstätten bei.

Um einen signifikanten wissenschaftlichen Fortschritt bei der Erforschung von Störungszonen zu erreichen, müssen geologische, physikalische und chemische Prozesse in Störungszonen über verschiedene Größen- und Zeitskalen interdisziplinär studiert werden. Das Bruch- und Fließverhalten von Gesteinen und Mineralen ist dafür verantwortlich, wie die feste Erde mechanische Spannungen überträgt und aufnimmt. Deformationsprozesse in der festen Erde werden einerseits durch das Material und andererseits durch geodynamische Faktoren wie Mantelkonvektion und Wärmefluss bestimmt. Das Wechselspiel zwischen den Mechanismen, die auf atomarer und molekularer Ebene wirksam sind und den großskaligen, geodynamischen Prozessen ist noch wenig verstanden.

Wissenschaftliche Bohrprojekte, wie zum Beispiel das Kontinentale Tiefbohrprogramm KTB in der Oberpfalz oder das San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD) in Kalifornien vermitteln ein neues Verständnis der Prozesse im obersten Teil der Erdkruste bis in maximal neun Kilometer Tiefe. Zu diesen Prozessen zählen Erdbeben, Kriechbewegungen, der Spannungszustand und der Transport von Fluiden. Durch Bohrungen kann allerdings nur der seismisch aktive Teil der Oberkruste erschlossen werden. Tiefere Bereiche der Lithosphäre werden manchmal innerhalb von Gebirgen sichtbar. Dort gelangen ältere Gesteine aus der mittleren oder unteren Lithosphäre durch tektonische Prozesse und Abtragung an die Erdoberfläche. Der Schlüssel zum Verständnis von Störungszonen und Erdbeben besteht darin, die Beobachtungen aus den heute aktiven, aber unzugänglichen Bereichen der Lithosphäre mit denen inaktiver, aber zugänglicher Bereiche zu kombinieren.

Erdbeben betreffen aber nicht nur den oberen Teil der Kruste, sie sind auch mit der Deformation von Unterkruste und oberem Erdmantel verknüpft. Thermisch aktivierte Verformungsprozesse unterhalb der seismogenen Zone beeinflussen den Spannungsaufbau vor einem Erdbeben und die Entspannung danach entscheidend. Welche physikalischen Eigenschaften Gesteine unter dem Druck, der Temperatur und dem Fluidgehalt der tieferen Lithosphäre haben und wie sie sich verformen, kann nur in Laborexperimenten untersucht werden. Aus solchen Experimenten sind inzwischen Stoffgesetze für Quarzite, Anorthosite, Pyroxenite und Dunite, die wichtigsten Gesteine der Unterkruste und des oberen Erdmantels entstanden. Die Verformung der Erdkruste nach einem Erdbeben lässt sich durch Satellitengeodäsie bestimmen. Inzwischen ist es auch gelungen, die Verformung erfolgreich mit den Stoffgesetzen zu modellieren, die auf der Laborskala entwickelt wurden. Das Materialverhalten von Unterkruste und Mantelgesteinen, das bislang überwiegend aus Experimenten abgeleitet wurde, stimmt gut mit Geländebeobachtungen überein, die aus exhumierten fossilen Scherzonen abgeleitet werden können. Indem verschiedene Methoden und Beobachtungen auf einer breiten Zeit- und Längenskala kombiniert werden, entsteht ein neues Bild der Rheologie der Lithosphäre, also des Fließverhaltens der Gesteine unterhalb der seismisch aktiven Oberkruste. Es wird deutlich, dass einfache Paradigmen das komplexe mechanische Verhalten der Lithosphäre nicht adäquat beschreiben. In den tektonisch aktiven Regionen der Erde, zum Beispiel an Plattenrändern, ist die Viskosität des oberen Mantels deutlich geringer als die der überwiegend festen Erdkruste. In stabilen Kontinentalplatten, so genannten Kratonen, ist die Viskosität des oberen Erdmantels dagegen vermutlich deutlich höher als die der Unterkruste.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Um seismische Prozesse und ihre Kopplung an die Dynamik der Lithosphäre zu erforschen, müssen Geowissenschaftler zahlreiche wissenschaftliche Herausforderungen bewältigen. Sie müssen neue Methoden zur integrierten Inversion seismologischer und geodätischer Messungen entwickeln, Materialmodelle für vorübergehende Verformungsprozesse aufstellen und diese Verformungsprozesse im Feld und im Labor entschlüsseln. Die Architektur großer, seismisch aktiver Plattenrandstörungen wie der San-Andreas-Störung oder der Nordanatolischen Störung ist zum Beispiel noch weitgehend unbekannt. Es bleibt auch unklar, bis zu welcher Tiefe Verformung auf räumlich eng begrenzte Scherzonen beschränkt bleibt. Dies hat erhebliche Konsequenzen für Modelle, die simulieren, wie Spannungen in der Erdkruste nach großen Erdbeben abgebaut werden. Auch sind wir noch weit von einer vollständigen physikalischen Beschreibung der wichtigsten Verformungsprozesse in der Lithosphäre entfernt.

Viele gegenwärtige Modelle stellen erdbebenträchtige Störungen als isolierte Schwächezonen in einer homogenen Lithosphäre dar. Solche Modelle beruhen oft auf der Vorstellung, dass das Bruchverhalten als elastische Dislokation modelliert werden kann. Diese Modelle sind aber nicht in der Lage, Störungen innerhalb tektonischer Platten zu reproduzieren. Inzwischen nehmen viele Geowissenschaftler an, dass es von den Eigenschaften der Lithosphäre abhängt, wo ein Störungssystem entsteht und wie sich benachbarte Störungen verformen. Wie sich die Verformungsenergie überträgt und wie schnell eine Störung wächst, ist noch weitgehend ungeklärt. Im nächsten Unterkapitel wird ein Ansatz beschrieben, der zeigt, dass hochauflösende Daten in Zukunft dabei helfen können, das räumliche und zeitliche Wachstum besser zu verstehen.

Störungsysteme

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:04 durch Jana Stone | Impressum