Auf der Grundlage von Geomechanik, Gesteinsphysik, Rheologie und Materialwissenschaften untersuchen wir Verformungs- und Transportphänomene in Gesteinen der Erdkruste. Über weite zeitliche und räumliche Skalen versuchen wir, die physikalischen Prozesse zu verstehen, die diese Phänomene steuern. Im Labor werden umfangreiche Experimente mit verschiedenen Verformungsapparaturen durchgeführt, die das Verformungsverhalten im spröden oberen Teil und im duktilen unteren Teil der Kruste und des obersten Erdmantels simulieren sollen. Das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse trägt dazu bei, Einblicke in grundlegende geowissenschaftliche Fragestellungen zu gewinnen, wie z. B. die Entstehung von Erdbeben, Lokalisation, langsames Gleiten und Herdmechanik und Kriechprozesse in Hochtemperaturscherzonen, aber auch zur Beantwortung eher angewandter Fragen, z. B. induzierte Erdbeben und die Mechanik von Lagerstättengestein im Hinblick auf Enhanced Geothermal Systems (EGS), Schiefergas und Atommüllentsorgung. Wir sammeln auch Daten vor Ort, z. B. in Untertagelaboren, Bergbaugebieten und aktiven Störungszonen, durch seismische Aufzeichnungen und mikrostrukturelle Untersuchungen verformter Gesteine, was dazu beiträgt, die im Labor ermittelten geomechanischen Eigenschaften hochzuskalieren. Unsere Untersuchungen tragen zu einer Vielzahl von wissenschaftlichen Themen im Zusammenhang mit Plattentektonik, Naturgefahren und Georessourcen bei.

Eine fundamentale Fragestellung in der Seismologie beschäftigt sich mit der Physik der Rissbildung und -ausbreitung beim Bruchprozess von Erdbeben. Wie wird die sich aufbauende elastische Verformungsenergie während des Bruchprozesses frei und zu welchem Anteil wird sie in seismische Wellenabstrahlung und andere Energieformen umgewandelt? In unserer Arbeitsgruppe versuchen wir skalenübergreifend, von Laborexperimenten bis hin zu natürlich vorkommenden Erdbeben, den Einfluss externer Faktoren auf den Bruchprozess zu analysieren und zu verstehen. Zu diesen gehören unter anderen der lokale Spannungszustand und die physikalischen Eigenschaften innerhalb der Verwerfungszone. Auf allen Längenskalen ist zu beobachten, dass die unterschiedliche Aufteilung der Energie für unterschiedliche Bruchtypen verantwortlich ist, wobei potentiell gefährliche Erdbeben nur einen Teil des breiten Spektrums von Verformungsverhalten darstellen. Um die Bruchmechanik und die Rissausbreitung besser verstehen zu können, verfolgen wir einen ganzheitlichen skalenübergreifenden geomechanisch-seismologischen Ansatz. Dies bedeutet, dass wir unsere Forschungserkenntnisse aus dem Vergleich von vollständig kontrollierbaren Laborexperimenten an Gesteinsproben mit kleinskaligen Feldexperimenten unter in-situ Bedingungen und großskaligen Studien induzierter und natürlicher Erdbeben erzielen.

Die Helmholtz-Nachwuchsgruppe SAIDAN verfolgt die folgenden Forschungsthemen: (1) Erarbeitung eines umfassenden, quantitativen Verständnisses von Deformationsprozessen, die vom aseismischen Kriechen bis zum spröden Bruch bei Erdbeben reichen. (2) Charakterisierung von Prozessen, die dem Auftreten großer Erdbeben vorausgehen. Diese Themen werden in zwei sehr unterschiedlichen Umgebungen untersucht: Transforme Plattengrenzen sowie Fluid-induzierte Seismizität.

Transforme Plattengrenzen

Das Auftreten großer Erdbeben in der Nähe dicht besiedelter Regionen kann zu einer dramatischen Zahl von Todesopfern führen, wichtige Infrastrukturen (z. B. Krankenhäuser, Straßen) beschädigen und Hunderttausende von Einwohnern um ihre Unterkunft bringen. Die stärksten Erdbeben auf der Erde erreichen Magnituden von M~9 und treten ausschließlich entlang von Subduktionszonen auf. Im Gegensatz dazu neigen gleitende Transformstörungen dazu, bei Erdbeben mit Magnituden von nicht mehr als M~8 zu brechen [z. B. Wesnousky, 1988; Martínez-Garzón et al., 2015; Bohnhoff et al., 2016]. Letztere stellen jedoch im Allgemeinen eine größere Gefahr und ein größeres Risiko dar, da sie entlang der Erdoberfläche brechen können und sich in der Nähe von dicht besiedelten Megastädten befinden können. Bekannte Beispiele sind die San Francisco Bay Area und das Los Angeles-Becken entlang der San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien oder die Region Istanbul-Marmara in der Nähe der nordanatolischen Verwerfungszone in der Türkei. Die hochauflösende Überwachung und zeitnahe Analyse der laufenden seismischen und aseismischen Deformation in diesen Gebieten ist eine wesentliche Voraussetzung für eine bessere Bestimmung des lokalen seismischen Potenzials und die Optimierung der Infrastruktur zur Risikominderung. Ein wichtiger Schwerpunkt von SAIDAN ist die Untersuchung der tektonischen Deformation an der Nordanatolischen Verwerfung. Die Nordanatolische Verwerfungszone (NAFZ) in der Türkei repräsentiert eine ~1100 km lange rechts-laterale Plattengrenze [Barka et al., 2002; Sengör, 2005], die mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 20-30 mm/Jahr gleitet [McClusky et al., 2000; Ergintav et al., 2014]. Die Region des Marmarameers im Nordwesten der Türkei weist derzeit eine "seismische Lücke" mit einer hohen Wahrscheinlichkeit für ein M>7-Erdbeben in unmittelbarer Nähe der Metropolregion Istanbul mit ihren >13 Millionen Einwohnern auf. Im östlichen Teil der Marmara-Verwerfung in der Nähe von Istanbul (Princes Islands fault) wurde aufgrund fehlender Mikroseismizität und anhand von GPS-Daten ein blockierter Störungsabschnitt identifiziert, der einen potenziellen Ausgangspunkt für das bevorstehende Marmara-Erdbeben darstellt [Bohnhoff et al., 2013; Ergintav et al., 2014]. Für den westlichen Teil des Marmara-Abschnitts gibt es erste Hinweise auf Verwerfungskriechen [Schmittbuhl et al., 2016; Bohnhoff et al., in press]. Bislang gibt es jedoch keine Informationen über mögliche niederfrequente Signale, die in die Krustendeformation der gesamten Region eingebettet sind. In dem Gebiet unmittelbar südlich der blockierten Verwerfung der Princes Islands ereignete sich vor kurzem ein Erdbeben der Stärke 4,2, das eine Vorbebenaktivität aufwies, die auf einen beginnenden Bruchprozess hindeutet [Malin et al., in Rezension].

Fluid-induzierte Seismizität

Die Injektion von Flüssigkeiten in den Untergrund im Rahmen von Aktivitäten zum Reservoir-Engineering für die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen und geothermischer Energie hat zur Reaktivierung von zuvor unbekannten, kritisch belasteten und daher gefährlichen Verwerfungen geführt. In Oklahoma und Kansas (USA) wurde in den letzten Jahren ein dramatischer Anstieg der induzierten Seismizität beobachtet, darunter vier Erdbeben der Stärke M>5. Dies führte zu einer erhöhten seismischen Gefährdung der nahe gelegenen Siedlungen und wichtigen Infrastrukturen und löste in der Öffentlichkeit erhebliche Bewusstseins- und Akzeptanzprobleme aus. SAIDAN zielt darauf ab, die Erdbebenphysik zu untersuchen und das Verhältnis zwischen seismischem und aseismischem Schlupf in Fluidinjektionsumgebungen zu quantifizieren sowie die daraus resultierende maximale Magnitude der induzierten Erdbeben und die daraus resultierende Gefahr zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden geothermische Umgebungen wie The Geysers und Salton Sea sowie Regionen mit ausgeprägter fluidinduzierter Seismizität, wie z. B. im Süden von Kansas, untersucht.

Die Arbeitsgruppe "Seismische Erkundung des Untergrunds" nutzt hochauflösende seismische 3D-Erkundung von geologischen Strukturen im unterirdischen Raum für Anwendungsbereiche wie Bergbau, Tunnel- und Schachtbau sowie wissenschaftliche Bohrprojekte. Dafür stehen am GFZ neben kommerziellen Systemen speziell für diesen Zweck entwickelte Auswertesoftware, seismische Quellen und Empfängertechnik zur Verfügung. Entsprechende komplexe Messungen können so sehr flexibel an Oberflächen und in Bohrlöchern unter- und übertage durchgeführt werden. Für die Charakterisierung von Störungszonen wie z. B. fluidführenden Strukturen bilden die Bereiche Messgeometrie, Auswerteroutinen und Messtechnik die Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung.

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Die Operational Support Group (OSG) des ICDP ist ein Team von Wissenschaftler:innen, Ingenieur:innen und Techniker:innen, die bei der Planung und Verwaltung von wissenschaftlichen Bohrprojekten auf dem Kontinent helfen. Die OSG bietet Unterstützung in den Bereichen :

• Planung und Konzeption von Bohrungen
• Bereitstellung und Instandhaltung der ICDP Ausrüstung
• Bohrlochmessungen
• Daten - und Probenmanagement (mDIS, mobile Drilling Information System)
• Training