Rheologie der Lithosphäre und Seismizität

Die Lithosphäre des Rheingrabens: wie hängt die mechanische Konfiguration mit natürlicher Seismizität zusammen?

Der Rheingraben ist eines der seismisch aktivsten Gebiete Deutschlands und gleichzeitig ein Explorationsgebiet für geothermische Energiegewinnung. Obwohl bereits viele Studien den Versuch unternommen haben, das geothermische Potential zu quantifizieren, fehlt bislang eine Untersuchung, wie die mechanische Stabilität des Grabens mit der natürlich auftretenden Seismizität zusammenhängt. Dieser Frage geht eine Studie von Anikiev et al. nach. Insbesondere wird untersucht, wie die Deformationseigenschaften der Lithosphäre im Rheingraben und umgebenden Gebieten räumlich variieren. Diese Eigenschaften variieren aufgrund der tektonisch bedingten Struktur, genau genommen mit der damit einhergehenden heterogenen Verteilung physikalischer Eigenschaften und daraus resultierender Temperaturvariationen. Mit dieser Studie wird nun untersucht, wie diese Variationen das mechanische Verhalten der Lithosphäre beeinflussen und ob es eine räumliche Korrelation zur Verteilung der beobachteten Seismizität gibt. Dazu wurde die thermo-mechanische Stabilität des Gebietes anhand eines detaillierten 3D Modells, das die geologische Struktur, das Temperaturfeld und die rheologischen Eigenschaften beschreibt, untersucht.

Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass die vorhergesagte rheologische Konfiguration räumlich mit der Konfiguration der tiefen Kruste und mit der Konfiguration des thermischen Feldes korreliert.

Vergleicht man die modellierte Verteilung der mechanischen Eigenschaften (Variationen der Rigidität) mit verfügbaren Erdbebenkatalogen, zeigt sich, dass die Seismizität im Oberrheingraben in geringerer Tiefe und mit kleineren Magnituden auftritt. Dies geht mit einer heißeren und damit weicheren Kruste im Bereich des Oberrheingrabens einher als in den angrenzenden Gebieten. Im Unterschied dazu wird im Gebiet östlich des Oberrheingrabens und in der Niederrheinischen Bucht seismische Energie in größeren Tiefen und mit höherer Intensität freigesetzt, was mit einer kälteren und rheologisch steiferen Kruste einhergeht. Diese Studie zeigt, dass die regionale 3D Charakteristik der Lithosphärenrheologie mit der räumlichen Verteilung von Seismizität zusammenhängt, was wiederum darauf hinweist, dass die mechanische Stabilität primär durch diese rheologischen Variationen bestimmt wird.

Diese Ergebnisse sind nur dadurch möglich, dass beobachtungsgestützte Strukturmodellierung mit Prozessmodellierung physikalischer Vorgänge integriert wurde und demonstrieren, dass eine quantitative Beschreibung der mechanischen Lithosphäreneigenschaften für eine sinnvolle Interpretation der Seismizitätsverteilung erforderlich ist.

Die Studie wurde in Sektion 4.5 durchgeführt und baut auf vorangehende Untersuchungen in den Projekten IMAGE (EU) und Hessen3D 2.0 (BMWi) auf, die das thermische Feld der Region untersucht haben (Freymark et al., 2017; 2020).

Originalstudie: Denis Anikiev, Mauro Cacace, Judith Bott, Maria Laura Gomez Dacal and Magdalena Scheck-Wenderoth. Influence of lithosphere rheology on seismicity in an intracontinental rift: the case of the Rhine Graben. Frontiers in Earth Science, 8, 492. https://doi.org/10.3389/feart.2020.592561

Zusätzliche Studie: Freymark, Jessica; Sippel, Judith; Scheck-Wenderoth, Magdalena; Bär, Kristian; Stiller, Manfred; Fritsche, Johann-Gerhard; et al. (2017): The deep thermal field of the Upper Rhine Graben. Tectonophysics. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2016.11.013

Frei verfügbare Datenpublikation: Freymark, Jessica; Bott, Judith; Scheck-Wenderoth, Magdalena; Bär, Kristian; Stiller, Manfred; Fritsche, Johann-Gerhard; Kracht, Matthias; Gomez Dacal, Maria Laura (2020): 3D-URG: 3D gravity constrained structural model of the Upper Rhine Graben. GFZ Data Services. https://doi.org/10.5880/GFZ.4.5.2020.004

Wissenschaftlicher Kontakt (Englisch/Russisch):
Dr. Denis Anikiev
Sektion 4.5 - Sedimentbeckenmodellierung
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel: +49 331 288-2846
E-Mail: denis.anikiev@gfz-potsdam.de

Wissenschaftlicher Kontakt (Englisch/Italienisch):
Dr. Mauro Cacace
Sektion 4.5 - Sedimentbeckenmodellierung
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel: +49 331 288-1783
E-Mail: mauro.cacace@gfz-potsdam.de

Wissenschaftlicher Kontakt (Deutsch / Englisch):
Prof. Dr. Magdalena Scheck-Wenderoth
RWTH Aachen und GFZ-Potsdam
Sektion 4.5 - Sedimentbeckenmodellierung
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1345
E-Mail: magdalena.scheck@gfz-potsdam.de

Wissenschaftlicher Kontakt (Deutsch / Englisch):
Dr. Judith Bott
Sektion 4.5 - Sedimentbeckenmodellierung
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1345
E-Mail: judith.bott@gfz-potsdam.de

Wissenschaftlicher Kontakt (Englisch/Spanisch):
Dr. Maria Laura Gomez Dacal
Sektion 4.5 - Sedimentbeckenmodellierung
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
E-Mail: maria.laura.gomez.dacal@gfz-potsdam.de

Medien-Kontakt:
Josef Zens
Leiter der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49-331-288-1040
E-Mail: josef.zens@gfz-potsdam.de

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