Seit den 1980er Jahren haben Forscher erhebliche Unruheperioden in einer Region der östlichen Berge der Sierra Nevada in Kalifornien beobachtet, die durch Erdbebenschwärme sowie durch eine Aufblähung und Anhebung des Bodens um fast einen halben Zoll pro Jahr während dieser Zeiträume gekennzeichnet waren. Die Aktivität ist besorgniserregend, da das Gebiet, Long Valley Caldera genannt, auf einem riesigen ruhenden Supervulkan liegt.
Vor siebenhundertsechzigtausend Jahren entstand die Long Valley Caldera bei einem heftigen Ausbruch, der 650 Kubikkilometer Asche in die Luft schleuderte – eine Menge, die das gesamte Gebiet von Los Angeles mit einer 1 Kilometer dicken Sedimentschicht bedecken könnte.
Was steckt hinter der gesteigerten Aktivität in den letzten Jahrzehnten? Könnte es sein, dass sich die Gegend auf einen erneuten Ausbruch vorbereitet? Oder könnte der Anstieg der Aktivität tatsächlich ein Zeichen dafür sein, dass das Risiko eines massiven Ausbruchs abnimmt?
Um diese Fragen zu beantworten, haben Caltech-Forscher die bisher detailliertesten Untergrundbilder der Long Valley Caldera erstellt, die Tiefen von bis zu 10 Kilometern innerhalb der Erdkruste erreichen. Diese hochauflösenden Bilder offenbaren die Struktur der Erde unter der Caldera und zeigen, dass die jüngste seismische Aktivität auf die Freisetzung von Flüssigkeiten und Gasen zurückzuführen ist, wenn sich das Gebiet abkühlt und sich beruhigt.
Die Arbeit wurde im Labor von Zhongwen Zhan, Professor für Geophysik, durchgeführt. Ein Papier, das die Forschung beschreibt erscheint im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte am 18. Oktober.
„Wir glauben nicht, dass sich die Region auf einen weiteren Supervulkanausbruch vorbereitet, aber der Abkühlungsprozess könnte genug Gas und Flüssigkeit freisetzen, um Erdbeben und kleine Eruptionen auszulösen“, sagt Zhan. „Im Mai 1980 gab es beispielsweise allein in der Region vier Erdbeben der Stärke 6.“
Das hochauflösende Bild zeigt, dass die Magmakammer des Vulkans von einem gehärteten Deckel aus kristallisiertem Gestein bedeckt ist, der beim Abkühlen und Erstarren des flüssigen Magmas entsteht.
Um unterirdische Bilder zu erstellen, schließen die Forscher durch die Messung seismischer Wellen von Erdbeben ab, wie die unterirdische Umgebung aussieht. Erdbeben erzeugen zwei Arten seismischer Wellen: primäre (P-Wellen) und sekundäre (S-Wellen). Beide Arten von Wellen breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch unterschiedliche Materialien aus – Wellen werden durch elastische Materialien wie Flüssigkeiten abgebremst, breiten sich aber schnell durch sehr starre Materialien wie Gestein aus.
Durch den Einsatz von Seismometern an verschiedenen Standorten können Abweichungen im zeitlichen Verlauf der Wellen gemessen und die Eigenschaften der Materialien – wie elastisch oder steif – bestimmt werden, durch die sie gelaufen sind. Auf diese Weise können Forscher Bilder der unterirdischen Umgebung erstellen.
Obwohl es in der gesamten östlichen Sierra-Region mehrere Dutzend Seismometer gibt, nutzt Zhans Technik Glasfaserkabel (wie diejenigen, die das Internet bereitstellen), um seismische Messungen in einem Prozess durchzuführen, der Distributed Acoustic Sensing (DAS) genannt wird.
Die 100 Kilometer lange Kabelstrecke, die zur Abbildung der Long Valley Caldera verwendet wurde, war vergleichbar mit einer Strecke von 10.000 Einzelkomponenten-Seismometern. Über anderthalb Jahre hinweg nutzte das Team das Kabel, um mehr als 2.000 seismische Ereignisse zu messen, von denen die meisten zu klein waren, um von Menschen wahrgenommen zu werden. Ein maschineller Lernalgorithmus verarbeitete diese Messungen und entwickelte das resultierende Bild.
Diese Studie ist das erste Mal, dass mit DAS so tiefe, hochauflösende Bilder erstellt wurden. Frühere Bilder aus lokalen Tomographiestudien beschränkten sich entweder nur auf die flache Untergrundumgebung in Tiefen von etwa 5 Kilometern oder deckten einen größeren Bereich in geringerer Auflösung ab.
„Dies ist eine der ersten Demonstrationen, wie DAS unser Verständnis der Krustendynamik verändern kann“, sagt Ettore Biondi, DAS-Wissenschaftler am Caltech und Erstautor der Arbeit. „Wir freuen uns, eine ähnliche Technologie auf andere Regionen anzuwenden, in denen wir neugierig auf die unterirdische Umgebung sind.“
Als nächstes plant das Team, mithilfe eines 200 Kilometer langen Kabels noch tiefer in die Erdkruste einzudringen, bis in eine Tiefe von etwa 15 bis 20 Kilometern, wo die Magmakammer der Caldera – ihr „schlagendes Herz“ – abkühlt.
Co-Autoren sind neben Biondi und Zhan der ehemalige Caltech-Postdoktorand Weiqiang Zhu, jetzt von der UC Berkeley; Caltech-Postdoktorand Jiaxuan Li; und der ehemalige Caltech-Doktorand Ethan Williams, Ph.D., jetzt von der University of Washington.
Mehr Informationen:
Ettore Biondi et al., Ein oberer Krustendeckel über der Long Valley Magmakammer, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi9878