Schwarmbeben bei Bransfield-Straße

Auch vor der Küste der Antarktis gibt es Vulkane. Am Tiefseevulkan Orca, der seit langem inaktiv ist, wurde 2020 eine Folge von mehr als 85.000 Erdbeben registriert, ein Schwarmbeben, das bis dahin für diese Region nicht beobachtete Ausmaße erreichte. Dass solche Ereignisse auch in derart abgelegenen und daher schlecht instrumentierten Gebieten sehr detailliert untersucht und beschrieben werden können, zeigt nun die Studie eines internationalen Teams, die in der Fachzeitschrift „Communications Earth and Environment“ veröffentlicht wurde. Unter Leitung von Simone Cesca vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) waren Forschende aus Deutschland, Italien, Polen und den Vereinigten Staaten beteiligt. Mit der kombinierten Anwendung von seismologischen, geodätischen und Fernerkundungs-Techniken konnten sie ermitteln, wie der schnelle Transfer von Magma vom Erdmantel nahe der Krusten-Mantel-Grenze bis fast zur Oberfläche zu dem Schwarmbeben führte.

Der Orca-Vulkan zwischen Südamerikas Spitze und der Antarktis

Schwarmbeben treten hauptsächlich in vulkanisch aktiven Regionen auf. Als Ursache wird daher die Bewegung von Fluiden in der Erdkruste vermutet. Der Orca-Seamount ist ein großer submariner Schildvulkan mit einer Höhe von etwa 900 Metern über dem Meeresboden und einem Basisdurchmesser von rund 11 Kilometern. Er liegt in der Bransfield-Straße, einem Meereskanal zwischen der Antarktischen Halbinsel und den Süd-Shetland-Inseln, südwestlich der Südspitze von Argentinien.

„In der Vergangenheit war die Seismizität in dieser Region mäßig. Im August 2020 begann dort allerdings ein intensiver seismischer Schwarm mit mehr als 85.000 Erdbeben innerhalb eines halben Jahres. Er stellt die größte seismische Unruhe dar, die dort jemals aufgezeichnet wurde“, berichtet Simone Cesca, Wissenschaftler in der Sektion 2.1 Erdbeben- und Vulkanphysik des GFZ und Leiter der jetzt veröffentlichten Studie. Gleichzeitig mit dem Schwarm wurde auf dem benachbarten King George Island eine seitliche Bodenverschiebung von mehr als zehn Zentimetern und einer geringen Hebung von etwa einem Zentimeter aufgezeichnet.

Cesca hat diese Ereignisse mit Kolleg:innen vom National Institute of Oceanography and Applied Geophysics – OGS und der Universität Bologna (Italien), der Polnischen Akademie der Wissenschaften, der Leibniz-Universität Hannover, des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) und der Universität Potsdam untersucht. Dabei standen sie vor der Herausforderung, dass es in der abgelegenen Gegend nur wenige konventionelle seismologische Instrumente gibt, nämlich nur zwei seismische Stationen und zwei GNSS-Stationen (Bodenstationen des Globalen Navigations-Satelliten-Systems, die Bodenverschiebungen messen). Um die Chronologie und Entwicklung der Unruhen zu rekonstruieren und ihre Ursache zu ermitteln, hat das Team daher zusätzlich Daten von entfernteren seismischen Stationen und Daten von InSAR-Satelliten, die mittels Radarinterferometrie Bodenverschiebungen messen, ausgewertet. Ein wichtiger Schritt war dabei die Modellierung der Ereignisse mit einer Reihe geophysikalischer Methoden, um die Daten richtig zu interpretieren.

Die Rekonstruktion der seismischen Ereignisse

Die Forschenden haben den Beginn der Unruhen auf den 10. August 2020 zurückdatiert und den ursprünglichen globalen seismischen Katalog, der nur 128 Erdbeben enthielt, auf mehr als 85.000 Ereignisse erweitert. Der Schwarm erreichte seinen Höhepunkt mit zwei großen Erdbeben am 2. Oktober (Mw 5,9) und am 6. November (Mw 6,0) 2020, bevor er abflaute. Bis Februar 2021 war die seismische Aktivität deutlich zurückgegangen.

Als Hauptursache für das Scharmbeben identifizieren die Forschenden eine Magma-Intrusion, die Ausbreitung eines größeren Magma-Volumens. Denn seismische Prozesse allein können die beobachtete starke Oberflächendeformation auf King George Island nicht erklären. Die Magma-Intrusion wird unabhängig von geodätischen Daten bestätigt.

Die Seismizität wanderte von ihrem Ursprungsort zunächst nach oben und dann seitlich: Tiefere, gebündelte Erdbeben werden als Reaktion auf die vertikale Ausbreitung von Magma aus einem Reservoir im oberen Erdmantel oder an der Grenze zwischen Kruste und Erdmantel interpretiert. Flachere sogenannte Krustenbeben breiteten sich von Nordost nach Südwest aus. Sie wurden durch den sich seitlich ausbreitenden Magmadamm ausgelöst, der eine Länge von etwa 20 km erreicht.

Die Seismizität nahm Mitte November, nach rund drei Monaten anhaltender Aktivität, abrupt ab. Das fällt mit dem Auftreten des größten Erdbebens der Serie mit einer Magnitude von Mw 6,0 zusammen. Das Ende des Schwarms lässt sich durch den Druckverlust im Magmastollen erklären, der mit dem Abrutschen einer großen Verwerfung einhergeht. Das könnte den Zeitpunkt eines Ausbruchs am Meeresboden markieren, der aber bislang nicht durch andere Messungen bestätigt werden konnte.

Die Forschenden schließen durch Modellierung von GNSS- und InSAR-Daten, dass das Volumen der Magma-Intrusion von Bransfield eine Größenordnung von 0,26-0,56 Kubikkilometer aufweist. Das macht diese Episode auch zur größten magmatischen Unruhe, die jemals in der Antarktis geophysikalisch überwacht wurde.

Résumé

Simone Cesca resümiert: „Unsere Studie stellt die erfolgreiche Untersuchung einer seismo-vulkanischen Unruhe an einem abgelegenen Ort der Erde dar, bei der uns die kombinierte Anwendung von Seismologie, Geodäsie und Fernerkundungstechniken ein Verständnis von Erdbebenprozessen und Magmatransport in schlecht instrumentierten Gebieten ermöglicht hat. Dies ist einer der wenigen Fälle, in denen wir mit geophysikalischen Mitteln ein Eindringen von Magma aus dem oberen Mantel oder der Krusten-Mantel-Grenze in die flache Kruste beobachten können – einen schnellen, nur wenige Tage dauernden Magmatransfer vom Mantel bis fast zur Oberfläche.

Text: GFZ, Foto: Milton Percy Plasencia Linares