Bericht | Forschungsbohrung an der Alpine Fault – Ungewöhnlich hoher geothermischer Gradient in Neuseelands Untergrund entdeckt

Forschungsbohrung in die Alpine Fault in Neuseeland (Foto: T. Wiersberg, GFZ).

Die Alpine Fault – eine große Bruchzone auf Neuseelands Südinsel – ist für die Geoforschung hoch interessant. Entlang der Bruchzone zwischen der Pazifischen und der Australischen Platte finden Bewegungen in der Größenordnung von circa drei Zentimetern pro Jahr statt. Im Jahr 1717 kam es hier zum letzten großen Erdbeben. Da vermutet wird, dass schwere Beben an dieser Bruchzone alle 300 bis 400 Jahre auftreten, könnte sich das nächste große Erdbeben jederzeit ereignen.

Die Alpine Fault ist wegen ihrer enorm schnellen Hebungsraten, die Gesteine aus seismisch aktiven Tiefen an die Erdoberfläche fördern, einzigartig“, so Thomas Wiersberg, GFZ Zentrum für Wissenschaftliches Bohren. Wiersberg weiter: „Die Alpine Fault bietet, anders als andere Störungszonen wie beispielsweise die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien oder die Nordanatolische Verwerfung in der Türkei, die einzigartige Möglichkeit, Untersuchungen am Ende eines Erdbebenzyklus, das heißt kurz vor einem Erdbeben, in relativ geringer Tiefe durchzuführen.“

Zu diesem Zweck wurde das vom International Continental Scientific Drilling Program ICDP geförderte Deep Fault Drilling Project gestartet. Es umfasst insgesamt drei Bohrungen. Zwei Vorbohrungen, die 100 beziehungsweise 152 Meter tief reichen, wurden 2011 in der Nähe von Gaunt Creek an der Neuseeländischen Westküste abgeteuft und durchbohrten die Alpine Fault in geringer Tiefe. Die Hauptbohrung sollte die Störung in etwa 1000 bis 1300 Metern Tiefe durchbohren. Nach technischen Problemen wurde sie jedoch im Dezember 2014 bei einer Endteufe von 892 Metern abgebrochen, ohne die Störung zu erreichen. Trotzdem konnten wichtige und unerwartete Erkenntnisse gewonnen werden.

Eine aktuell im Fachmagazin Nature publizierte Multiautoren-Studie mit über 60 Autorinnen und Autoren unter Leitung von Rupert Sutherland von der Victoria University of Wellington, Neuseeland, berichtet über ausgewählte Ergebnisse des Bohrprojekts. Demnach gibt es in der Hauptbohrung einen ungewöhnlich hohen geothermischen Gradienten von 125 Grad pro Kilometer. Die Temperatur steigt hier mit zunehmender Tiefe also ungewöhnlich schnell an. In der Regel liegt der geothermische Gradient im Untergrund bei rund 35 Grad Celsius pro Kilometer Tiefe, in vulkanischen Gebieten auch darüber. Offenbar werden aufgrund der schnellen Hebungsraten in der Bruchzone Gesteine aus großer Tiefe schneller nach oben gefördert, als sie abkühlen können. Im Untergrund zirkulierende Fluide transportieren die Hitze dann bis in geringe Tiefe.

Gesteine aus dem Untergrund helfen, Erdbeben zu erforschen

Die GFZ-WissenschaftlerInnen Anja Schleicher, Martin Zimmer, Samuel Niedermann, Ronald Conze und Thomas Wiersberg aus den Sektionen Anorganische und Isotopengeochemie und Wissenschaftliches Bohren unterstützten die Bohrung vor Ort. Sie entnahmen beispielsweise Gesteinsproben und führten Gasmessungen durch, um so wichtige Hinweise auf die chemische und mineralogische Zusammensetzung des Untergrunds zu erhalten. An der Bohrung fand außerdem im Oktober 2014 ein vom GFZ organisierter ICDP-Trainingskurs mit 30 Teilnehmenden aus 13 Ländern statt. Im Rahmen des Deep Fault Drilling Projects konnten Nachwuchswissenschaftlerinnen und –wissenschaftler Praxiserfahrungen sammeln. Anja Schleicher, Thomas Wiersberg und Ronald Conze nahmen als Referentin und Referenten am Kurs Teil.

Die GFZ-WissenschaftlerInnen gehen in ihren Untersuchungen unter anderem der Frage nach, inwieweit die Minerale aus der Tiefe zu einer Schwächung der Störungszone beitragen können. Eine in der Störungszone stattfindende Umwandlung dieser Minerale kann einen großen Einfluss auf die Spannungen im Gestein haben, die sich dann durch ruckartige Bewegungen in der Erdkruste entladen können.

Die WissenschaftlerInnen interessieren sich außerdem für die Rolle der Fluide, also der Gase und Flüssigkeiten im Untergrund. Schon in Vorbereitung der Bohrungen in die Alpine Fault untersuchten Martin Zimmer und Samuel Niedermann die Gaszusammensetzungen heißer Quellen auf beiden Seiten der Störungszone, also auf der pazifischen und der australischen Seite. Dabei stellten sie fest, dass sich die Gase im Nordwesten der Störung, auf der Australischen Platte, von der Zusammensetzung auf der Pazifischen Platte unterscheiden. Martin Zimmer: „Offensichtlich können Mantelfluide die Erdkruste an der Alpine-Störung durchdringen und werden von dort unterschiedlich auf beide Plattenseiten verteilt“. Die WissenschaftlerInnen wollen verstehen, wie genau die Fluide unterschiedlichen Ursprungs in der Störungszone zirkulieren. Dabei sind vor allem solche Fluide von Interesse, die aus großer Tiefe aufgestiegen sind. Sie haben eine Gleitwirkung auf das Gestein im Untergrund und würden die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben erhöhen. Anja Schleicher: „Eine zukünftige Bohrung, die die Störungszone komplett durchbohrt, kann unser Verständnis über den Einfluss von Mineralen und Fluiden bei der Entstehung von Erdbeben enorm erweitern“.

31.05.2017, Ariane Kujau

Originalstudie: Sutherland, R., Towned, J., Toy, V. et. al., 2017. Extreme hydrothermal conditions at an active plate-bounding fault. Nature. doi:10.1038/nature22355