Geologisches Erdbebenarchiv in marinen Sedimenten vor Japan

Die Abschätzung des Gefährdungspotentials natürlicher geologischer Ereignisse wie Erdbeben und Tsunamis verlangt prozess-basierte Kenntnisse über die Entstehung und über mögliche Konsequenzen, sowie quantitative Informationen über deren Intensitäten und Wiederkehrraten. Unser Wissen dazu ist oft limitiert durch vergleichbare kurze Datensätze aus historischen Überlieferungen, während vollständigere Datensätze von instrumentellen Messung gar nur noch kürzere Zeitspannen abdecken. Diese, wie uns durch die unerwartet aufgetretenen katastrophalen Megabeben des 21ten Jahrhunderts vor Augen geführt wurde, sind zu kurz um die komplexen Erdbebenprozesse unsere Erde komplett zu verstehen. Dieses FWF-Forschungsprojekt verfolgt das Ziel geologische Archive betreffend früherer Erdbeben über längere Zeiträume zu entschlüsseln. Dazu untersuchen wir im Detail den Meeresboden vor der Küste Japans, wo das grosse Japan Erdbeben im Jahre 2011 charakteristische Spuren im Meeresschlamm hinterlassen hat. Insbesondere hat sich gezeigt, dass sich durch die starke Bodenerschütterung grosse Unterwasser-Schlammlawinen gelöst haben und dabei grosse Mengen mariner Sedimente bis in den Tiefseegraben umgelagert wurden. Dort werden die charakteristischen Ereignislagen in der geologischen Sedimentabfolge archiviert, was uns Wissenschaftler ermöglicht mit sedimentpetrographischen Untersuchungen und analytischen Datierungsmethoden die Herkunft und das Alter dieser Lagen zu rekonstruieren. Im EAGER-JAPAN Projekt sollen nun bereits vorhandene, und insbesondere während geplanten Schiffsexpeditionen neu zu erschliessende Sedimentarchive im Japan Graben detailliert auf solche Ereignislagen untersucht werden. Insbesondere sollen dabei durch präzise mineralogischen und Gefügekundlicher Analysen einzelner Sandkörner, sowie durch Messungen des radioaktiven Zerfalls des Kohlenstoffs einzelner organischen Moleküle, die Herkunft und Transportdynamik der Sedimentumlagerungen, sowie deren Alter rekonstruiert werden. Die Resultate dieser Untersuchungen wird zu einem sowohl räumlich- (entlang des gesamten Kontinentalrandes) also zeitlichen (mehrere tausend Jahren) hochauflösenden Inventar vergangener natürlicher Extremereignisse führen, welches es uns erlauben wird, die Erbebengeschichte von NE Japan zu rekonstruieren. Zudem wird das Forschungsprojekt vertiefte Kenntnisse über marine Sedimentationsprozessen entlang tektonisch aktiven Plattenränder liefern, welche unabhängig vom Arbeitsgebiet in Japan auch zum besseren Verständnis andere Kontinentalränder oder auch geologischer Archive an Land liefern mag.

Die Abschätzung des Gefährdungspotentials von Großerdbeben und Tsunamis verlangt prozess-basierte Kenntnisse über deren Entstehung und über mögliche Konsequenzen, sowie quantitative Informationen über deren Intensitäten und Wiederkehrraten. Unser Wissen dazu ist oft limitiert durch vergleichbar kurze Datensätze aus historischen Überlieferungen, während vollständigere Datensätze von instrumentellen Messungen gar nur noch kürzere Zeitspannen abdecken. Diese Aufzeichnungen sind derzeit unzureichend, um Erdbeben - und Tsunamigefahren vollständig und adäquat zu bewerten. Dieses FWF -Forschungsprojekt verfolgte das Ziel die Methodik zu entwickeln, marine-geologische Archive betreffend frühere Erdbeben über längere Zeiträume zu entschlüsseln. Dazu erforschten wir anhand geophysikalischer Daten und Sedimentproben, die bei marinen Forschungsexpeditionen geborgen wurden, den Meeresboden vor der Küste Japans, um zu lernen welche Spuren das große Japan Erdbeben im Jahre 2011 im Meeresschlamm des Japangrabens hinterlassen hat. Weiter analysierten wir diese Daten und Proben auf ältere Ereignisablagerungen, um Vorkommen und Verteilung mit bekannten historischen Erdbeben zu vergleichen. Die Untersuchungen ergaben, dass mehrere isolierte Tiefseebecken in 7 -8 km Wassertiefe die endgültigen Senken für die durch Erdbeben ausgelöste Sedimentumlagerung darstellen. Für das Erdbeben von 2011 kartierten und dokumentierten wir die gesamte räumliche Verteilung bzw. die detaillierten Eigenschaften der resultierenden Ereignisablagerungen und konnten so den vorherrschenden Prozess der Erdbeben-induzierten Sedimentumlagerung eingrenzen: Starke seismische Erschütterungen remobilisieren die obersten paar Zentimeter des oberflächlichen marinen Hangsediments, das auch große Mengen an frischem organischem Kohlenstoff enthält, der dann durch Trübeströme in die Tiefseebecken transportiert wird. Wir berechnen die Gesamtmenge an organischem Kohlenstoff, die durch das 2011-er Beben in den Japangraben transportiert wurde, auf mehr als 1 Million Tonnen und zeigen, dass solche Großerdbeben den Kohlenstoffkreislauf in der Tiefsee erheblich beeinflussen können. Darüber hinaus zeigen unsere Ergebnisse, dass die kontinuierlichen Abfolgen der Tiefseesedimentbecken im Japangraben auch mehrere ältere Ereignisablagerungen umfassen. Die räumlich-zeitliche Verteilung der jüngeren dieser Ereignissen (welcher anhand der verfügbaren 10-m langen Bohrkernen für die letzten ~2000 Jahre analysiert werden konnten) korrelieren gut mit den aus historischen Überlieferungen bekannten Großerdbeben und Tsunamis. Anhand unserer Untersuchungen müssen auch diese Beben großflächige Umlagerungen von Oberflächensedimenten bewirkt haben. Die Sedimentarchive der einzelnen Tiefseesedimentbecken sind also natürliche Seismographen, die große Erdbebenereignisse in der Vergangenheit aufgezeichnet haben. Im Rahmen des Projekts gelang es, diese Tiefsee-Paläoseismometer zu kalibrieren und die neuartige Multiproxy- Methodik zu entwickeln, die zur Entschlüsselung der prähistorischen Erdbebengeschichte erforderlich ist. Das Projekt leistete auch einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Expedition 386 "Japan Trench Paleoseismology" des International Ocean Discovery Program (IODP), welche vor kurzem mehrere, bis in 40m tiefe Sedimentbohrkerne aus dem Japangraben gewinnen konnte. Bei dieser Expedition wurden also die "Paläoseismometer" aus der Tiefsee geborgen, die nun in Folgeprojekten analysiert werden sollen. Dies wird die Erdbebengeschichte über Zeiträume von mehreren zehntausend Jahren in die Vergangenheit aufklären, dabei die maximale mögliche Stärke und Häufigkeit von Erdbeben eingrenzen und dazu beitragen, die Erdbebengefahr in Zukunft besser einzuschätzen.