Das Habitat langsamer Erdbebenphänomene in der Hikurangi Subduktionszone
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Reibungsverhalten der Plattengrenze in Subduktionszonen führt nicht nur zu zerstörerischen "schnellen" Erdbeben, sondern auch zu "langsamen" Erdbeben, welche über Monate andauern können. Die hydrogeologischen und diagenetischen Faktoren, die das Reibungsverhalten kontrollieren, sind noch ungeklärt. Im Jahr 2018 hat die Expedition 375 des International Ocean Drilling Program (IODP) die Plattengrenze zwischen der Pazifischen und Australischen Platte beprobt, um die geologischen Bedingungen in der nördlichen Hikurangi-Subduktionszone zu untersuchen. Anhand von Proben der Expedition untersuchte die geförderte Studie den Zusammenhang zwischen Wasser-Gestein-Wechselwirkung und Fluidflussprozessen, die die hydro-mechanischen Prozesse in der Subduktionszone beeinflussen. Die durchgeführte Untersuchung umfasste die Bor-Isotopenanalyse von Fluiden, die außerhalb des Subduktionszone an der Referenzlokation U1520 von Expedition 375 gewonnen wurden. Die B- und B-Isotopenzusammensetzung zeigt eine große Streuung der gemessenen B- und δ11B B-Werte, die aus der Kombination der frühdiagenetischen Umsetzung von organischer Materie, vulkanischer Asche/Silikatmineralen und möglichem lateralen Fluidfluss resultiert. Die U1520-Ergebnisse werden mit zuvor publizierten B- und δ11B-Werten von Fluidquellen entlang des subaerisch exponierten Anwachskeils der Hikurangi-Subduktionszone verglichen. Die Bewertung der beobachteten Unterschiede zwischen den beiden Datensätze verwirft die übliche Erklärung der Ton-Wasser-Interaktion bei Temperaturen <120°C. Stattdessen unterstützen die B-Isotopendaten einen partiellen Ursprung in der subduzierten ozeanischen Kruste. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die geologischen Prozesse diskutiert, die das Verwerfungsverhalten / den Gleitmodus der Plattengrenzfläche beeinflussen. Der Konsolidierungszustand der Sedimente an Referenzlokation U1520 wurde zudem mit Hilfe von Ödometerversuchen im Labor untersucht, bei denen aus Kernproben geschnittene Proben wiederbelastet wurden. Die aus den oberen 500 m unter Meeresboden geborgenen Proben weisen einen unterkonsolidierten Zustand aufgrund von Porenwasserüberdruck auf, der durch rasche Sedimentakkumulation in Folge von Massenumlagerungen am Meeresboden verursacht worden ist. Im Gegensatz dazu sind Proben von 500 m unterhalb des Meeresbodens überkonsolidiert, was vorwiegend auf Kalzit- und Zeolithzemente in den Sedimenten zurückzuführen ist. Die Auswirkung der Sedimentlithifizierung auf das Reibungsverhalten wurde weiterhin in einer Laborstudie untersucht. Dazu wurden Mischungen aus Halit- und Ton mit halitgesättigter Sole konsolidiert, getrocknet und abgeschert. Die Austrocknung ermöglichte die Ausfällung von Halit als Zement, wodurch synthetische Gesteine entstanden. Die Analyse der einzelnen geschwindigkeitsabhängigen Reibungsparameter zeigte, dass instabiles Reibungsgleiten auf niedrige Werte des Parameter a für lithifizierte Proben zurückzuführen ist. Eine größere Instabilität ist mit einer Kohäsion von >~1 MPa und einer Porositätsreduktion von >~50 Vol% verbunden. Mikrostrukturelle Oberflächenaufnahmen zeigen, dass die Scherflächen von Pulvern dazu neigen, kleine Risse aufzuweisen, die auf den Scherflächen der lithifizierten Proben nicht zu sehen sind. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Lithifizierung durch Zementierung und Porositätsverlust die Gleitinstabilität begünstigen kann, was die Hypothese unterstützt, dass für die Seismogene die Lithifizierung von subduzierten Sedimenten erforderlich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019). Mixed deformation styles observed on a shallow subduction thrust, Hikurangi margin, New Zealand. Geology, 47(9), 872-876
Fagereng, Å., Savage, H. M., Morgan, J. K., Wang, M., Meneghini, F., Barnes, P. M., Bell., R., KItajima, H., Saffer, D.M., Wallace, L.M., Petronotis, K., LeVay, L. & IODP Expedition 372/375 Scientists
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(2020). Slow slip source characterized by lithological and geometric heterogeneity. Science advances, 6(13), eaay3314
Barnes, P.M., Wallace, L.M., Saffer, D.M., Bell, R.E., Underwood, M.B., Fagereng, A., Meneghini, F., Savage, H.M., Rabinowitz, H.S., Morgan, J.K., Kitajima, H., Kutterolf, S., Hashimoto, Y., Engelmann de Oliveira, C.H., Noda, A., Crundwell, M.P., Shepherd, C.L., Woodhouse, A.D., Harris, R.N., Wang, M., Henrys, S., Barker, D.H.N., Petronotis, K.E., Bourlange, S.M., Clennell, M.B., Cook, A.E., Dugan, B.E., Elger, J., Fulton, P.M., Gamboa, D., Greve, A., Han, S., Hüpers, A., Ikari, M.J., Ito, Y., Kim, G.Y., Koge, H., Lee, H., Li, X., Luo, M., Malie, P.R., Moore, G.F., Mountjoy, J.J., McNamara, D.D., Paganoni, M., Screaton, E.J., Shankar, U., Shreedharan, S., Solomon, E.A., Wang, X., Wu, H.Y., Pecher, I.A., LeVay, L.J., and the IODP Expedition 372 Scientists
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(2021). Velocity-weakening friction induced by laboratorycontrolled lithification. Earth and Planetary Science Letters, 554, 116682
Ikari, M. J. and Hüpers, A.
