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Die Südshetlandinseln und der nördliche Teil der antarktischen Halbinsel weist die höchste Dichte an Stationen in der Antarktis auf. Doch sie liegen auch in einer der seismisch und vulkanisch aktivsten Bereiche des Südkontinents, dank der sich immer weiter öffnenden Bransfieldstrasse. Die Erdbebenserie, die zwischen August 2020 und Februar 2021 die Region erschüttert hatte, war sogar für die Wissenschaft ungewöhnlich. Ein internationales Team hat nun den Grund für die Erdbeben entdeckt und musste dabei auf neue Analysemethoden zurückgreifen.
Massive Magmaeinträge aus dem Erdmantel, die erst schnell in den Bereich der Erdkruste gestossen waren und sich danach horizontal in Nordost-Südwest-Richtung wie ein Damm ausgebreitet hatten, waren für über 85’000 Erdbeben in sechs Monaten verantwortlich, wie das Forschungsteam in seiner eben veröffentlichten Studie zum Schluss kommt. Dabei verzeichnete man zwei Arten von Beben: tiefere Beben, die durch die vertikale Ausbreitung des Magmas entstehen und Krustenbeben, die in der Erdkruste selbst durch das Entstehen des Dammes ausgelöst worden waren. Dieser Magmadamm wies dabei am Ende eine Länge von rund 20 Kilometer auf und erstreckte sich nordöstlich eines inaktiven Tiefsee-Schildvulkans, den die Forscher «Orca» nennen, entlang der Kante zum Schelfbereich der Insel King George.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Simone Cesca vom deutschen GeoForschungszentrum (GFZ) Potsdam entdeckte ebenfalls bei der Analyse der über 85’000 Beben, dass der Boden auf Insel King George, die grösste der Südshetlands, durch die Beben um beinahe 11 Zentimeter zur Seite und einen Zentimeter nach oben verschoben wurde. «In der Vergangenheit war die Seismizität in dieser Region mässig. Im August 2020 begann dort allerdings ein intensiver seismischer Schwarm mit mehr als 85’000 Erdbeben innerhalb eines halben Jahres», erklärt Simone Cesca, die auch die Hauptautorin der Studie ist. «Er stellt die größte seismische Unruhe dar, die dort jemals aufgezeichnet wurde.»
Obwohl die Region seismisch sehr aktiv ist, sind nur zwei Stationen in der Umgebung mit entsprechenden Geräten zur Aufzeichnung ausgestattet, darunter die argentinische Station Carlini. Um die Ursachen für die Erdbebenserie untersuchen zu können, musste das Team auf Daten von weiter entfernten seismischen Stationen, von GNSS (Global Navigation Satellite System)-Stationen und auf Radardaten von Satelliten (InSAR) zugreifen, um sie dann mit mehreren geophysikalischen Modellen zu verbinden. So konnte Cesca und das Team (bestehend aus Wissenschaftlern aus Italien, Polen und den USA) den Startpunkt der Erdbebenserie auf den 10. August 2020 zurückverfolgen. Bis zum Ende der Aktivitäten im Februar 2021 verzeichnete das Team dann vier Phasen. Die erste Phase war durch schwache Erdbeben, die in Tiefen von 10 – 15 Kilometer stattfanden, geprägt.
Doch Phase 2 begann Ende August mit dem ersten schwereren Beben (4.5 auf der Richterskala), als das Magma aus der Tiefe stärker in die Erdkruste drückte und sich in Richtung «Orca»-Vulkan bewegte. Dabei entstand auch das erste der zwei schwersten Beben (5.9 auf der Skala) am 2. Oktober.
Phase 3 mit der Dammbildung begann dann am 21. Oktober und kulminierte am 6. November mit einem weiteren starken Erdbeben (eine 6.0 auf der Skala). Ab dann begann Phase 4, die das relativ abrupte Ende der Aktivitäten bedeutete, hervorgerufen durch einen Druckverlust. Insgesamt berechnete das Team eine Menge zwischen 0.26 – 0.56 Kubikkilometer an Magma, das nach oben gedrückte wurde, ein Rekord in der Antarktis.
Für die Forschung sind einerseits die Schwarmbeben ein Glücksfall und andererseits die Arbeit von Simone Cesca und ihrem Team ein voller Erfolg. «Unsere Studie stellt die erfolgreiche Untersuchung einer seismo-vulkanischen Unruhe an einem abgelegenen Ort der Erde dar, bei der uns die kombinierte Anwendung von Seismologie, Geodäsie und Fernerkundungstechniken ein Verständnis von Erdbebenprozessen und Magmatransport in schlecht instrumentierten Gebieten ermöglicht hat», fasst sie zusammen. Die Resultate der Arbeit wurden eben in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications Earth & Environment veröffentlicht und stellt ein Novum dar. «Dies ist einer der wenigen Fälle, in denen wir mit geophysikalischen Mitteln ein Eindringen von Magma aus dem oberen Mantel oder der Krusten-Mantel-Grenze in die flache Kruste beobachten können – einen schnellen, nur wenige Tage dauernden Magmatransfer vom Mantel bis fast zur Oberfläche», sagt Cesca abschliessend. Es bleibt zu hoffen, dass unter der Oberfläche der Bransfieldstrasse nicht noch grössere Überraschungen lauern, denn die Region hat nicht nur die höchste Zahl an Forschungsstationen, sondern ist auch ein beliebtes Touristenziel.
Dr. Michael Wenger, PolarJournal
Link zur Studie: Cesca et al (2022) Nature Comm Earth Environm 3 (89) Massive earthquake swarm driven by magmatic intrusion at the Bransfield Strait, Antarctica; https://doi.org/10.1038/s43247-022-00418-5