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7.8 – Der Breitband-Ansatz zur Messung der Lithosphärendeformation

Die Verformung der Lithosphäre kontrolliert so gut wie alle Prozesse auf der Erde. Die Bewegung der Lithosphärenplatten erfolgt über Zeiträume von mehr als einer Million Jahren in erster Näherung gleichförmig und stetig. Hochauflösende geodätische Verfahren zeigen für den Bereich der Plattengrenzen jedoch ein komplexes Bild.

Mit GPS-Messungen kann man die Bewegung einzelner Punkte auf der Erdoberfläche relativ zueinander quasi in Echtzeit mit einer Auflösung von wenigen Millimetern erfassen. Die Satelliten-Radar-Interferometrie (InSAR) liefert im Abstand von wenigen Monaten flächendeckende Information mit einer Auflösung von einigen Zentimetern pro Jahr. An den Plattengrenzen verformt sich das Gestein ungleichmäßig, sowohl zeitlich als auch räumlich. In vielen Fällen wird eine Verformung durch ein Erdbeben eingeleitet und klingt dann ab. Vorübergehende Verformungsepisoden, so genannte langsame oder stille Erdbeben, ereignen sich unabhängig von seismischen Ereignissen im herkömmlichen Sinn. Diese Verschiebungen dauern Stunden bis Jahrzehnte. Die Ursachen für die messbare Verschiebung an der Oberfläche liegen tiefer als gewöhnliche Erdbebenherde. Langsame Erdbeben stehen im Verdacht, besonders starke Erdbeben auslösen zu können, da sich während eines langsamen Bebens die Spannung in der zugehörigen Störungszone in der Oberkruste erhöhen kann.

Die Vorhersagen dazu, wie sich die tiefere Kruste und der obere Mantel mechanisch verhalten, basieren derzeit auf sehr einfachen Modellen und auf Laboruntersuchungen. Deren Ergebnisse müssen notgedrungen über mehrere Größenordnungen in den Zeit- und Längenskalen extrapoliert werden. Um zu einem umfassenden Verständnis der Lithosphäre zu kommen, muss die Kluft zwischen den langsamen Verschiebungen an der Erdoberfläche, den Erdbeben in der Oberkruste und den Prozessen in der tieferen Kruste und im oberen Mantel überbrückt werden. Das ist nicht zuletzt aufgrund der Erdbebentätigkeit von grundlegender Relevanz für die menschliche Gesellschaft.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Die elementare Herausforderung für die kommenden Jahre wird darin liegen, die Informationen über alle Längen- und Zeitskalen zu integrieren. Für die verschiedenen Informationsquellen gelten jeweils charakteristische Skalenbereiche und Auflösungsvermögen. Die Informationen sind zudem unvollständig. Am besten lassen sich dabei die aktuellen Verschiebungen an der Erdoberfläche durch eine Kombination von GPS und InSAR erfassen. Wenn genügend Seismometer vorhanden sind, kann die Erdbebentätigkeit mit den geodätischen Beobachtungen korreliert werden. ­Paläoseismologie und tektonische Geomorphologie erlauben es, den Beobachtungszeitraum zu erweitern. Das ist für starke Erdbeben mit langen Wiederkehr-Zeiten essenziell. Für die Interpretation ist eine angemessene numerische Simulation entscheidend. Solche Simulationen basieren auf Modellen für das mechanische Verhalten der Gesteine, die in Labor-Experimenten gewonnen werden. Um diese Modelle zu testen, müssen unterschiedliche Beobachtungen aus der Satellitengeodäsie, aus Feldstudien und aus Laboruntersuchungen zu einem konsistenten Bild zusammengeführt werden. Zum Beispiel bieten Gesteine, die aus großer Tiefe stammen, die einzigartige Möglichkeit, die dort wirksamen Verformungsmechanismen zu entschlüsseln. Daher muss sich in der Arbeitsweise der Strukturgeologie ein Paradigmenwechsel vollziehen. Bisher bestand das Ziel vorwiegend darin, frühere Verformungen der Lithosphäre zu rekonstruieren. In Zukunft wird das Ziel darin bestehen, aus der fossilen Überlieferung kleiner, episodischer Verformungsschritte nach dem Prinzip des Aktualismus auf aktuell ablaufende Prozesse zu schließen. Daraus lassen sich Randbedingungen für die Experimente und Modelle ableiten, die es erlauben, alle Beobachtungen in Simulationen einzuarbeiten.

Assimilation von Daten

Der traditionellen Sichtweise zufolge dauern geologische Prozesse viele Millionen Jahre und sind deshalb für den Menschen kaum interessant. Inzwischen ist klar, dass viele Prozesse schneller ablaufen, als man bisher angenommen hat. Zum Beispiel wurde die früheste kontinentale Kruste viel früher und schneller gebildet als bisher angenommen. Material wird aus dem Mantel entnommen und innerhalb einiger Millionen Jahre wiederverwertet („recycling“). Krustenmaterial kann sehr schnell in große Manteltiefen und wieder zurück in die Kruste transportiert werden. Viele dieser Prozesse können in ein und derselben Kollisionszone auftreten. Sie greifen wie die Zahnräder eines Uhrwerks fein abgestimmt ineinander. Wie sie über eine so große Spanne von Zeitskalen gekoppelt miteinander auftreten und dabei einen stabilen und zugleich dynamischen Planeten wie die Erde formen, ist eine der großen Fragen, die Geowissenschaftler in der Zukunft zu beantworten haben.

Transiente Prozesse für das Verständnis der Lithosphärendynamik

Hierarchie von miteinander gekoppelten Zeitskalen. Viele Prozesse laufen schneller ab als bisher angenommen.

Hierarchie von miteinander gekoppelten Zeitskalen. Viele Prozesse laufen schneller ab als bisher angenommen
(Quelle: Mark Handy, Berlin, aus: Tectonic Faults – Agents of Change on a Dynamic Earth, Chapter 4, ed. by M.R. Handy et al., Dahlem Workshop Report 95, 504 pp., The MIT Press, Cambridge, Mass., USA, 2007)

Um dieses Ziel zu erreichen, sind zusätzlich zu bekannten geologischen Uhren neue Werkzeuge notwendig. Die Fortschritte in der Fernerkundung, in der Analytik und bei der Rechenleistung bieten solche neue Möglichkeiten. Sie basieren auf kinetischen Prinzipien. Die unterschiedlich zusammengesetzten Gesteine werden modelliert, um die Dauer und die Geschwindigkeit von Prozessen zu bestimmen.

Um solche Systeme zu verstehen und zum Beispiel Vulkanausbrüche vorhersagen zu können, muss man wissen, wie lange die Schmelzen in den jeweiligen Reservoirs verweilt. Auch die Menge der Schmelze, die zwischen den einzelnen Reservoirs ausgetauscht wird, muss bekannt sein. Kinetische Modellierungen helfen uns, einen ersten Schritt in diese Richtung zu machen und die Prozesse in diesen Leitungssystemen im Detail aufzulösen. Diese Vorgänge laufen innerhalb von Tagen, Wochen oder Monaten ab.

Mit den neuen Werkzeugen kann man Prozesse untersuchen, die in Tagen bis Jahrtausenden ablaufen, so genannte Episoden. Anschließend kann man mehrere Episoden miteinander verknüpfen, um damit länger anhaltende Prozesse genauer zu verstehen, so genannte Events, die mehrere Millionen Jahre dauern. Einzelne Episoden wie ein Vulkanausbruch, ein Erdbeben oder auch Vorgänge in großer Tiefe laufen auf Zeitskalen ab, die sehr wohl in den menschlichen Zeitrahmen fallen. Wir sind immer besser in der Lage, diese Prozesse zu messen und zu verstehen.

Im Kern dieser Herausforderungen liegt somit die Frage, wie sich Prozessgeschwindigkeiten verändern. Wie beantworten wir die Frage, was eine Änderung des Wiederkehrintervalls eines Erdbebens in einem Störungssystem bedeutet? Bedeutet eine solche Änderung automatisch, dass sich auch die zugrunde liegenden Kräfte geändert haben? Oder sind diese Änderungen Teil eines komplexen Systems, bei dem kleine Auslöser kurzfristig große Wirkungen nach sich ziehen könnten? Um Antworten auf diese Fragen zu bekommen, muss man Messdaten über wesentlich längere Zeitfenster integrieren. Um dynamische Modelle der Erde auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen entwickeln zu können, müssen alle verfügbaren Daten gesammelt werden.

Ein Forschungsansatz, bei dem Messungen vom atomaren Maßstab bis zur Plattengrenze und von Sekundenbruchteilen bis zum seismischen Zyklus kombiniert werden, verlangt völlig neue strategische Konzepte. Dabei ist es nötig, koordinierte Forschungsprojekte über den nationalen Rahmen hinaus abzustimmen. Dies gilt zum Beispiel für Plattenrandobservatorien. Diese Observatorien stellen die methodische und technische Infrastruktur für Langzeitbeobachtungen auf der großregionalen Skala bereit. Auch in der experimentellen und analytisch orientierten Forschung werden koordinierte, arbeitsteilige Verfahren an Bedeutung gewinnen. Das lassen laufende internationale Projekte wie EARTHSCOPE mit dem Plate Boundary Observatory und SAFOD, das San Andreas Fault Observatory at Depth, unschwer erkennen. Erste Ansätze auf europäischer Ebene sind unterwegs (EPOS, THYMER etc.). GEO-Plate Boundary Observatories, die Fernerkundungsdaten und analytische zeitliche Daten verwalten und erfassen, müssen neu etabliert werden.

Vielversprechender Ansatz der Datenassimilation: So könnte man sich in Zukunft die Integration von Deformationsmessungen auf verschiedenen Skalen vorstellen könnte. Bisher ungelöst ist, auf welcher dieser Skalen eine Änderung in der Deformationsrate eine Änderung in den tektonischen Randbedingungen, also den dynamischen Kräften, widerspiegelt (Quelle: nach A. Friedrich et al. (2003): Comparison of geodetic and geologic data from the Wasatch region, Utah, and implications for the spectral character of Earth deformation at periods of 10 to 10 million years. Journal of Geophysical Research, 108, B4, 2199. doi:10.1029/2001JB000682)

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