Während einer Forschungsexkursion im Jahr 2017 zur Ichinokawa-Mine (Präfektur Ehime), die für ihre schönen, schwerterförmigen Stibnitkristalle berühmt ist, fand Noriyoshi Tsuchiya etwas Unerwartetes. Obwohl die meisten von den glitzernden Kristallen fasziniert wären, war es ein Sedimentgesteinsbündel namens Brekzie, das seine Aufmerksamkeit erregte.
„Ich konnte nicht aufhören, an die Brekzie zu denken“, sagt Tsuchiya (Professor an der Graduate School of Environmental Studies und dem Hachinohe National College of Technology). „Wir besuchten die Mine mehrere Male und entdeckten, dass die Brekzie die Spuren von Erdbeben aufzeichnet und wertvolle Beweise liefert, um die Energie vergangener Erdbeben abzuschätzen.“
So wie die Anzahl der Jahresringe eines Baumes Aufschluss über dessen Alter gibt, können uns die Eigenschaften von Gesteinen wie Brekzien etwas über die Geschichte einer Region verraten.
Die Ichinokawa-Brekzie ist insofern einzigartig, als sie Aufzeichnungen der häufigen seismischen Aktivität entlang der Median Tectonic Line (MTL) enthalten kann. Die MTL ist eine Verwerfungslinie, die sich etwa 1.000 Kilometer entlang der südwestlichen Region Japans erstreckt. Dies macht die in diesem Gebiet entstandene Brekzie für Forscher besonders interessant.
Im Rahmen dieser Studie untersuchten Tsuchiya und ihr Team Gesteinsfragmente sowohl vor Ort als auch im Labor, indem sie aus den gesammelten Gesteinen Abschnitte (Scheiben, die so dünn sind, dass Licht durchdringen kann) entnahmen, um sie unter dem Mikroskop zu untersuchen.
Die Ergebnisse erschienen in Wissenschaftliche Berichte am 27. Mai 2024.
Die durch das letzte Erdbeben freigesetzte Energie konnte erfolgreich abgeschätzt werden, und zwar auf Grundlage statistischer und fraktaler Analysen der Winkelverformung und der pulverförmigen Beschaffenheit des Gesteins vom Mikro- bis zum Makromaßstab.
Es zeigte sich, dass die zur Erklärung der natürlichen Verteilung von Gesteinsbrüchen erforderliche Oberflächenenergie erheblich höher (etwa 100-mal höher) war als die Oberflächenenergie, die bei einem einzelnen im Labor durchgeführten Aufprallbruchexperiment an einem Gestein erforderlich war.
Um die Energie und Art des Erdbebens zu berechnen, wurden viele Faktoren berücksichtigt. So zeigte beispielsweise eine genaue Beobachtung der Brekzie die Bildung von Karbonaten wie CaMg(CO3)2.
Da das abgebrochene Muttergestein keine Karbonate enthielt, schlussfolgerte man, dass dieses Mineral nach der Bildung der Brekzie entstanden sein muss. Man schlussfolgerte, dass das Erdbeben nicht nur einmal, sondern wiederholt auftrat und die feinen Partikel dadurch in noch feinere Partikel zerkleinert wurden.
Ihre Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Ichinokawa-Brekzie durch 10 bis 100 Erdbeben mit einer geschätzten Momentenmagnitude (ein Index der seismischen Energie) von 5,8 bis 8,3 MW entstanden ist.
Weitere Analysen ergaben, dass die Brekzie ein sehr einzigartiges Fragmentierungs- bzw. Pulverisierungsmuster aufwies. „Frühere Modelle zur Erklärung der Erdbebengeschichte verwenden eine andere Theorie, die hauptsächlich auf Hydrofracking basiert. Wir haben jedoch einen multidisziplinären Ansatz gewählt, sodass unsere Analyse dazu verwendet werden kann, ein neues Modell vorzuschlagen, das mehr Faktoren berücksichtigt“, sagt Tsuchiya.
Diese Studie, die in Zusammenarbeit mit dem National Institute of Technology und dem Hachinohe College durchgeführt wurde, könnte unser Verständnis des ko-seismischen Energiehaushalts in dieser Region neu definieren.
Mehr Informationen:
Geri Agroli et al., Multiskalige Off-Fault-Brekziation erfasst koseismische Energiebilanz der Hauptstörungszone, Wissenschaftliche Berichte (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-62838-x