Wenn die starren Platten, aus denen die Lithosphäre der Erde besteht, aneinander streifen, bilden sie oft sichtbare Grenzen, sogenannte Verwerfungen, auf der Oberfläche des Planeten. Blattverschiebungen wie die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien oder die Denali-Verwerfung in Alaska gehören zu den bekanntesten und fähigsten seismischen Aktivitäten.
Die Untersuchung dieser Verwerfungen kann Geowissenschaftlern helfen, nicht nur den Prozess der Plattentektonik besser zu verstehen, die zur Bildung der Kontinente und Berge des Planeten beigetragen hat, sondern auch ihre Erdbebengefahren besser zu modellieren. Das Problem ist, dass die meisten Studien zu dieser Art von Verwerfungen (im wahrsten Sinne des Wortes) oberflächlich sind und nur die obere Schicht der Erdkruste betrachten, wo sich die Verwerfungen bilden.
Neue Forschung unter der Leitung von Seismologen der Brown University gräbt tiefer in die Erde und analysiert, wie der Teil der Verwerfung nahe der Oberfläche mit der Basis der tektonischen Platte im Mantel verbunden ist. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Änderungen in der Dicke der Platte und ihrer Stärke tief in der Erde eine Schlüsselrolle bei der Lage der Denali-Verwerfung in Alaska spielen, einer der größten Blattverschiebungen der Welt.
Die Ergebnisse beginnen, große Lücken im Verständnis darüber zu schließen, wie sich geologische Verwerfungen verhalten und erscheinen, wenn sie sich vertiefen, und sie könnten zukünftigen Forschern schließlich helfen, bessere Erdbebenmodelle für Blattverschiebungen, Regionen mit häufigen und schweren Erdbeben, zu entwickeln.
„Das bedeutet, wenn Geowissenschaftler Erdbebenzyklen modellieren, haben sie neue Informationen über die Stärke der tieferen Gesteine, die nützlich wären, um die Dynamik dieser Verwerfungen zu verstehen, wie sich Spannungen auf ihnen aufbauen und wie sie in Zukunft brechen könnten “, sagte Karen M. Fischer, Studienautorin und Geophysikprofessorin bei Brown.
Die Studie, erschienen in Geophysikalische Forschungsbriefe, wurde von Brown-Absolventin Isabella Gama geleitet, die die Arbeit letztes Jahr während ihres Ph.D. Student in der Abteilung für Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften der Universität. Das Papier konzentriert sich hauptsächlich auf die Denali-Verwerfung, eine 1.200 Meilen lange Verwerfung, die sich über den größten Teil Alaskas und einen Teil Westkanadas erstreckt. Im Jahr 2002 war es der Ort eines Erdbebens der Stärke 7,9, das so weit entfernte Seen wie Seattle, Texas und New Orleans zum Schwappen brachte.
Die Forscher verwendeten neue Daten aus einem hochmodernen Netzwerk seismischer Stationen, um ein neues 3D-Modell der seismischen Wellengeschwindigkeiten in ganz Alaska zu erstellen. Mit diesem innovativen Werkzeug entdeckten die Forscher Veränderungen in der Dicke und inneren Festigkeit der tektonischen Platte, auf der Alaska sitzt. Das Modell zeigt, wie diese Änderungen der Plattenstärke, die sich bis zu einer Tiefe von etwa 80 Kilometern erstrecken, auf die Mechanik der Entstehung der Denali-Verwerfungslinie zurückwirken.
Geowissenschaftler wissen, dass die Erdkruste südlich der Denali-Verwerfung dicker ist, während die Kruste nördlich der Verwerfung dünner ist. Weniger klar sind Daten zu Veränderungen im tieferen Mantelteil der Platte.
In der neuen Studie dokumentierten die Forscher vermutlich zum ersten Mal, dass sich die Denali-Verwerfung aufgrund einer Zunahme der Stärke auf der Nordseite der Verwerfung bildet, die sich vollständig durch die obere Platte erstreckt.
Sie fanden heraus, dass, wenn sie die Basis der Platte oder Lithosphäre betrachteten, die Lithosphäre auf der Nordseite der Verwerfung stärker und dicker war als auf der Südseite viel dünner und schwächer. Der tiefere Teil der Platte im Norden könne quasi als Backstop fungieren, beschreiben sie in dem Papier. Sie schließen daraus, dass sich die Verwerfung an der Oberfläche gebildet hat und am Rand dieser dickeren, stärkeren Lithosphäre geblieben ist.
„Es gab diese Kontroverse, dass Verwerfungen in der flacheren spröden Kruste sich nicht mit Strukturen im tiefsten Teil der Platte verbinden würden, aber hier zeigen wir, dass sie es tun“, sagte Gama. „Und dies könnte eine Vielzahl von Dingen bedeuten. Zum Beispiel bedeutet es, dass wir Erdbeben erwarten könnten, die tiefer auftreten als bisher für Blattverschiebungen wie die Denali-Verwerfung angenommen, und dass Plattenbewegungen an klaren Grenzen auftreten könnten, die sich von flachen Verwerfungen erstrecken den ganzen Weg bis zum Boden der Platte.“
Der Weg der Forschung für die Wissenschaftler öffnete sich, als IRIS, ein Forschungskonsortium, das sich der Erforschung des Erdinneren widmet, das EarthScope Transportable Array von 2014 bis 2021 in Alaska stationierte. Die fortschrittliche Technologie – eine große Sammlung von Seismographen, die vorübergehend an Standorten in den USA installiert wurden – gab Forschern wie Gama und Fischer die Möglichkeit, Eigenschaften der tieferen Kruste und des Mantels zu messen, die zuvor nicht möglich waren.
Als nächstes planen die Forscher, sich andere Blattverschiebungslinien auf der ganzen Welt genauer anzusehen, um zu sehen, ob sie ähnliche Variationen in der Struktur tektonischer Platten finden können, je tiefer sie gehen. Andere bekannte Blattverschiebungslinien sind die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien und die Anatolische Verwerfung in der Türkei, die beide in der Vergangenheit schwere Erdbeben verursacht haben. Die San-Andreas-Verwerfung zum Beispiel verursachte das Erdbeben von 1906 in San Francisco, das Tausende tötete.
„Wir hoffen, dass Projekte wie das EarthScope Transportable Array weiterhin Unterstützung erhalten, damit wir von überall auf dem Planeten Bilder mit höherer Auflösung des Erdinneren erhalten können“, sagte Gama. „Wir hoffen, durch die Verwendung dieser Bilder ein besseres Verständnis der Plattentektonik zu erlangen, und werden zunächst untersuchen, wie andere Blattverschiebungen auftreten und sich verhalten, und nach Parallelen zu Alaska suchen. Diese Informationen könnten dann in die Verbesserung der Modelle für die Entstehung von Erdbeben einfließen .“
Mehr Informationen:
Isabella Gama et al, Variationen der lithosphärischen Dicke über die Denali-Verwerfung und in Nordalaska, Geophysikalische Forschungsbriefe (2022). DOI: 10.1029/2022GL101256