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Hochauflösende Messverfahren, tiefe Untergrundabbildungen und visuelle Meeresbodenuntersuchungen werden kombiniert um neue Erkenntnisse zur Entstehung von Erdbeben zu generieren. Unter Leitung von Prof. Heidrun Kopp vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel wird die FS SONNE im Januar und Februar 2022 entlang der Plattengrenze zwischen Südamerika und der ozeanischen Nazca-Platte neue, einzigartige Daten aufzeichnen.

Der Ozeanboden stellt die äußere feste Hülle für über 70% unseres Planeten dar. Dennoch ist diese ‚Haut‘ keineswegs starr, sondern wird im Zuge der globalen Plattentektonik kontinuierlich bewegt und deformiert. Diese Abläufe führen dazu, dass sich tektonische Spannungen im Meeresboden aufbauen können, die über lange Zeiträume so groß werden, dass sie sich plötzlich und meist (noch) unerwartet in einem Erdbeben entladen. Im marinen Bereich birgt dies bei Starkbeben zusätzlich die Gefahr von Tsunamis, so wie im Jahr 2004 vor Sumatra oder im Jahr 2011 vor Japan. In unserer global eng vernetzten Gesellschaft und Wirtschaft haben solche Ereignisse auch Auswirkungen auf Deutschland, u.a. durch Tourismus, Verknappung von Ressourcen oder politische Weichenstellungen wie den Ausstieg aus der Atomkraft in Folge der Fukushima-Katastrophe.

Nachträgliche Analysen zeigen, dass die Oberflächendeformation aufgrund des Spannungsabbaus während eines Erdbebens am Meeresboden konzentriert ist und daher oft mit der Auslösung von Tsunamis einhergeht. Der Meeresboden birgt somit Informationen über Spannung und elastische Verformung, sowie zur Entstehung und Verlauf von Erdbeben und daraus resultierenden Tsunamis. Diese Informationen können methodisch durch das neue Feld der Meeresboden-Geodäsie über akustische Distanzmessungen, Neigungs- und Druckänderungsmessungen in hoher (cm) Auflösung gewonnen werden. Hierzu wurde im Rahmen des durch das BMBF geförderte Projekt GeoSEA (Geodetic Earthquake Observatory on the SEAfloor) ein Netzwerk an Messstationen entwickelt, um Deformationen direkt am Meeresboden erfassen zu können.

Um zu einer verbesserten Gefährdungsabschätzung von Starkbeben zu gelangen, wurden im Jahr 2015 drei marine geodätische Netzwerke vor Nord-Chile auf dem unteren und mittleren Kontinentalhang sowie dem ‚outer rise’ installiert, um die Deformation des Meeresbodens im Iquique-Segment der Plattengrenze zwischen Südamerika und der Nazca-Platte aufzuzeichnen (GeoSEA Netzwerk, SONNE Fahrt SO244).

Ziel dieser Beobachtungen ist es, den oben beschriebenen Spannungsaufbau direkt messen zu können und darüber die Abschätzungen der Gefährdungslage zu verfeinern. Da die erwarteten Deformationsraten gering sind (maximal einige cm/Jahr), mussten die Stationen mehrere Jahre am Meeresboden verbleiben, wo sie autonom in Wassertiefen zwischen 2.5 und über 5 km gemessen haben. Die Bergung der Meeresbodentransponder nach ihrer 3-jährigen Batterielaufzeit erfordert den Einsatz eines ferngesteuerten Unterwasserroboters (auch remotely operated vehicle oder kurz ROV genannt). Die Transponder messen die Distanzen innerhalb der Netzwerke sowie die Neigung, den Druck und die Wasser-Temperatur. Die Meeresbodenmorphologie ist durch hochauflösende Kartierungen mittels Unterwasserdrohnen (autonomous underwater vehicles oder AUV) untersucht, allerdings fehlt eine Kenntnis der Strukturen unterhalb des Meeresbodens im Bereich der Netzwerke. Diese sollen mittels hochauflösender seismischer Verfahren (inkl. Ozeanbodenseismometern, um die Geschwindigkeitstiefeninformation zu erhalten und Tiefensektionen erstellen zu können) ergänzt durch visuelle Meeresbodenuntersuchungen (ROV Kamera) und Probennahme aufgezeigt werden, um die geodätischen Signale differenziert nach ihrem Ursprung bewerten zu können, in Abhängigkeit vom Grad von Kopplung oder Kriechen interseismischer Art, sowie der Verteilung der Deformation an der Plattengrenze und innerhalb der Oberplatte. Die Expedition wird so zu einem besseren Verständnis von geologischen Risiken beitragen. Dass Geo-Gefahren, zu denen Erdbeben und Tsunamis gehören, auch hier in Europa eine Rolle spielen, zeigt das aktuelle Positionspapier des European Marine Board. „Wichtigstes Ziel unseres Papiers ist es, diese Bedrohungen sichtbar zu machen“, sagt Heidrun Kopp. „Wir möchten dazu beitragen, dass den Menschen und den Entscheidern die Gefahren künftig stärker bewusst sind.

English version

High-resolution seismic methods, deep subsurface images and visual seabed investigations are combined to generate new knowledge about the origins of earthquakes. Under the direction of Prof. Heidrun Kopp from the GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, RV SONNE will record new, unique datasets along the plate boundary between the South America and the oceanic Nazca Plate in January and February 2022.

The ocean floor is the outer solid shell for over 70% of our planet. Nevertheless, this ‘skin’ is by no means rigid, but is continuously moved and deformed in the course of global plate tectonics. These processes lead to tectonic stresses building up in the seafloor, which over long periods of time become so large that they suddenly and usually (still) unexpectedly discharge in an earthquake. In the marine environment, strong earthquakes also pose the risk of tsunamis, as in 2004 off Sumatra or in 2011 off Japan. In our closely interconnected global society and economy, such events also have an impact on Germany, e.g. through tourism, scarcity of resources or political decisions such as the phase-out of nuclear power in the wake of the Fukushima disaster.

Subsequent analyses show that surface deformation due to stress release during an earthquake is concentrated on the seafloor and is therefore often associated with the triggering of tsunamis. The seafloor thus holds information on stress and elastic deformation, as well as on the generation and progression of earthquakes and resulting tsunamis. This information can be methodically obtained through the new field of seafloor geodesy via acoustic distance measurements, tilt and pressure change measurements in high (cm) resolution.

For this purpose, a network of measuring stations was developed within the framework of the GeoSEA project (Geodetic Earthquake Observatory on the SEAfloor), which is funded by the BMBF, in order to be able to record deformation directly on the seafloor. In order to arrive at an improved hazard assessment of strong earthquakes, three marine geodetic networks were installed off northern Chile in 2015 on the lower and middle continental slope and the ‘outer rise’ to record seafloor deformation in the Iquique segment of the plate boundary between South America and the Nazca Plate (GeoSEA network, SONNE cruise SO244).

The goal of these observations is to be able to directly measure the stress buildup described above and use it to refine estimates of the hazard situation. Since the expected deformation rates are low (a few cm/year at most), the stations had to remain on the seafloor for several years, where they measured autonomously in water depths ranging from 2.5 to over 5 km. Recovery of the seafloor transponders after their 3-year battery life requires the use of a remotely operated underwater robot (also called a remotely operated vehicle or ROV for short). The transponders measure distances within the networks as well as slope, pressure, and water temperature. Seafloor morphology has been studied by high-resolution mapping using underwater drones (autonomous underwater vehicles or AUVs), but knowledge of the structures beneath the seafloor in the vicinity of the networks is lacking. These should be revealed by high-resolution seismic techniques (including ocean bottom seismometers to obtain velocity-depth information and to be able to establish depth sections) complemented by visual seafloor surveys (ROV camera) and sampling to be able to evaluate the geodetic signals differentiated according to their origin, depending on the degree of coupling or creep of interseismic type, as well as the distribution of deformation at the plate boundary and within the upper continental plate. The expedition will thus contribute to a better understanding of geological risks. The current position paper of the European Marine Board shows that geohazards, which include earthquakes and tsunamis, also play a role here in Europe. “The most important goal of our paper is to make these threats visible,” says Heidrun Kopp. “We want to help make citizens and decision-makers more aware of the dangers in the future.”