Eine seismische Studie enthüllt den Hauptgrund, warum Patagonien steigt, wenn die Gletscher schmelzen

Die Eisfelder, die sich über Hunderte von Kilometern auf den Anden in Chile und Argentinien erstrecken, schmelzen mit einer der schnellsten Geschwindigkeiten der Welt. Der Boden, der sich unter diesem Eis befand, verschiebt sich und steigt an, wenn diese Gletscher verschwinden. Geologen haben einen Zusammenhang zwischen dem jüngsten Eismassenverlust, der schnellen Felshebung und einer Lücke zwischen den tektonischen Platten entdeckt, die Patagonien zugrunde liegen.

Wissenschaftler der Washington University in St. Louis unter der Leitung des Seismologen Douglas Wiens, Robert S. Brookings Distinguished Professor in Arts & Sciences, haben kürzlich eine der ersten seismischen Studien der patagonischen Anden abgeschlossen. In einer neuen Veröffentlichung in der Zeitschrift Geophysikalische Forschungsbriefesie beschreiben und kartieren die lokale Untergrunddynamik.

„Variationen in der Größe der Gletscher, wenn sie wachsen und schrumpfen, in Kombination mit der Mantelstruktur, die wir in dieser Studie abgebildet haben, treiben eine schnelle und räumlich variable Anhebung in dieser Region voran“, sagte Hannah Mark, eine ehemalige Postdoktorandin von Steve Fossett in Erd- und Planetenwissenschaften an der Washington University, der Erstautor der Veröffentlichung. Mark ist jetzt Postdoktorand an der Woods Hole Oceanographic Institution.

Die seismischen Daten, die Mark und Wiens analysierten, zeigen, wie eine Lücke in der nach unten gehenden tektonischen Platte etwa 60 Meilen unter Patagonien es heißerem, weniger viskosem Mantelmaterial ermöglicht hat, unter Südamerika zu fließen.

Oberhalb dieser Lücke sind die Eisfelder geschrumpft und haben Gewicht entfernt, das zuvor dazu geführt hat, dass sich der Kontinent nach unten gebogen hat. Die Wissenschaftler fanden eine sehr niedrige seismische Geschwindigkeit innerhalb und um die Lücke herum sowie eine Ausdünnung der starren Lithosphäre, die über der Lücke liegt.

Diese besonderen Mantelbedingungen treiben viele der jüngsten Veränderungen voran, die in Patagonien beobachtet wurden, einschließlich der schnellen Hebung in bestimmten Gebieten, die einst von Eis bedeckt waren.

„Niedrige Viskositäten bedeuten, dass der Mantel auf die Deglaziation auf der Zeitskala von zehn Jahren und nicht von Tausenden von Jahren reagiert, wie wir es zum Beispiel in Kanada beobachten“, sagte Wiens. „Dies erklärt, warum GPS aufgrund des Verlustes an Eismasse eine große Hebung gemessen hat.

„Eine weitere wichtige Sache ist, dass die Viskosität unter dem südlichen Teil des Eisfeldes von Südpatagonien höher ist als im Eisfeld von Nordpatagonien, was erklärt, warum die Auftriebsraten von Norden nach Süden variieren“, sagte er.

Zurückprallen und aufsteigen

Wenn Gletscher schmelzen, wird ein enormes Gewicht von dem Boden gehoben, der sie einst getragen hat. Riesige Wassermengen, die zuvor als Eis gespeichert wurden, strömen in Richtung Ozeane. Die neu entlastete Erde prallt zurück und erhebt sich.

Geologen sehen an Orten auf der ganzen Welt Beweise für diese Kombination aus Eismassenänderungen und Hebung.

Die fortwährende Landbewegung – was als „Gletscherisostatische Anpassung„– ist aus vielen Gründen von Bedeutung, vor allem aber, weil es die Vorhersagen für den Anstieg des Meeresspiegels unter zukünftigen Klimaerwärmungsszenarien beeinflusst.

Mark sagte, dass eines der interessantesten Dinge, die sie in dieser Studie entdeckten, war, dass die heißesten und am wenigsten viskosen Teile des Mantels im Bereich der Lücke oder des Plattenfensters unter dem Teil der patagonischen Eisfelder gefunden wurden, der sich am meisten geöffnet hatte vor kurzem.

„Dies legt uns nahe, dass sich möglicherweise die mit dem Plattenfenster verbundene Manteldynamik im Laufe der Zeit intensiviert hat oder dass die Kontinentalplatte im Süden dicker und kälter begann und daher weniger vom Plattenfenster beeinflusst wurde als der weiter entfernte Teil der Platte Norden“, sagte Markus.

Mark und Wiens arbeiteten mit Kollegen vom California Institute of Technology/Jet Propulsion Laboratory, der Universidad Nacional de La Plata, der Southern Methodist University und der Universidad de Chile zusammen, um die seismische Studie abzuschließen, die von der National Science Foundation finanziert wurde.

Patagonien ist ein abgelegenes Gebiet, das nicht dicht besiedelt ist, und die Erdbebengefahr ist relativ gering – was erklärt, warum in diesem Gebiet in der Vergangenheit nur wenige seismische Studien durchgeführt wurden, sagte Wiens. Die von ihm und seinem Team gesammelten Daten werden bereits für Zwecke verwendet, die über diese Bemühungen zur Bildgebung des Mantels hinausgehen.

Wiens hat Patagonien zum ersten Mal vor mehr als 25 Jahren besucht. Er sagte, er sei schockiert über die Veränderungen, die er in seinem Leben beobachtet habe.

„Die wunderschönen Gletscher werden verkleinert“, sagte Wiens. „In den kommenden Jahrzehnten werden die Eisfronten weiter oben in den Bergen und weiter ins Landesinnere zurückweichen, was den Besuch möglicherweise erschweren wird. Ich kann leicht erkennen, dass die Gletscher geschrumpft sind, seit ich dieses Gebiet 1996 zum ersten Mal besuchte.“

Höhen und Tiefen der Feldarbeit in Patagonien

Eine Gruppe von Studenten der Washington University half Wiens und seinem Team beim Service und Sammeln von Daten von den Seismographen, die für diese Studie im Rahmen einer Exkursion zum Grundstudium Feldgeologie 2019 unter der Leitung von Phil Skemer und Alex Bradley vom Department of Earth and Planetary installiert wurden Wissenschaften. Die Studenten hatten die Gelegenheit, ihre Frühlingsferien damit zu verbringen, Erfahrungen aus erster Hand mit der Geologie Patagoniens zu sammeln – sie erforschten Tektonik, Sedimentansammlungen und die geomorphologischen Auswirkungen der alpinen Vergletscherung in der Region.

Dann schlug die Coronavirus-Pandemie zu und der internationale Reiseverkehr kam zum Erliegen.

„Die Instrumente waren während COVID in Chile und Argentinien eingeschlossen, sodass sie nicht wie geplant im April 2020 zurückgegeben wurden“, sagte Wiens. „Stattdessen wurden sie im Februar 2021 durch die enorme Hilfe unserer Kollegen in diesen Ländern zurückgebracht.

„Aber die Seismographen haben in dieser Zeit ohne Wartung gut funktioniert, sodass wir etwa 10 Monate mehr Daten gesammelt haben als ursprünglich geplant“, sagte er.

Mehr darüber zu wissen, was unter der Erde passiert, ist wichtig, um zukünftige Veränderungen an Orten wie den patagonischen Eisfeldern zu überwachen.

„Eine Sache, die wir jetzt tun können und werden, ist die Integration der 3D-Mantelstruktur in ein Modell für die eiszeitliche isostatische Anpassung in Patagonien, zusammen mit Einschränkungen hinsichtlich des Ausmaßes der Vereisung im Laufe der Zeit“, sagte Mark.

„Die Plattentektonik und die Eigenschaften der tiefen Erde sind von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie das Land auf die Vereisung reagiert [and deglaciation]“, sagte Wiens. „Mit besseren Erdmodellen können wir die jüngsten Veränderungen der Eisschilde besser rekonstruieren.“