Beschädigte Erdkruste unter den Phlegräischen Feldern steht im Zusammenhang mit Hebung und Seismik

Eine Untersuchung der Kruste des Campi Flegrei hat eine beschädigte Gesteinsschicht im Untergrund freigelegt, die möglicherweise für die anhaltende Unruhe des Vulkans verantwortlich ist.

Die durch ältere Magma-Intrusionen geschwächte Zone scheint nun Gas aus tieferen Quellen einzuschließen. Dieser Druckanstieg im Untergrund könnte sowohl die stetige Bodenhebung als auch die seit 2005 registrierten kleinen Erdbeben erklären.

Campi Flegrei, eine vulkanische Caldera westlich von Neapel, zeigt seit fast zwei Jahrzehnten anhaltende Unruhe. Seit 2005 hat sich der Boden, insbesondere in der Stadt Pozzuoli, um etwa 1,1 bis 1,2 Meter angehoben, begleitet von häufigen kleinen Erdbeben.

Obwohl es keine eindeutigen Hinweise auf aufsteigendes Magma gibt, untersuchen Wissenschaftler weiterhin die zugrunde liegenden Prozesse, die diese anhaltende Aktivität antreiben.

Eine aktuelle Studie von Gianmarco Buono und seinen Kollegen am Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) wirft neues Licht auf die möglichen Vorgänge im Untergrund.

Das Team untersuchte Gesteinsproben aus der Tiefe der Caldera. Sie kombinierten diese mit seismischen Daten und Computermodellen. Dabei entdeckten sie eine geschwächte Gesteinsschicht in 2,5 bis 3 Kilometern Tiefe. Sie wurde vermutlich vor langer Zeit durch aufsteigendes Magma beschädigt. Diese fragile Zone könnte heute die anhaltende Bodenhebung und Erdbeben verursachen.

Analyse von Gesteinsschichten und Schwachzonen

Die Studie basiert auf Daten der Geothermiebohrung SV1, die bis zu einer Tiefe von 3.046 Metern (9.993 Fuß) nahe dem Zentrum der Caldera gebohrt wurde. Die Temperaturen am Boden des Bohrlochs wurden auf über 419 °C (786,2 °F) geschätzt, was auf das Schmelzen von Zink während der Bohrungen zurückzuführen ist.

Anhand dieser Bohrung konnten die Forscher anhand ihrer Reaktion auf Belastungen drei Hauptgesteinsschichten identifizieren:

1. Obere Schicht (0,5–2,0 km): Diese Gesteine ​​sind weich und porös (20–28 % Porosität) und bestehen aus vulkanischem Tuff und Sedimenten. Sie verformen sich allmählich und brechen nicht so leicht. Ihre Festigkeit ist mäßig, die Druckfestigkeit liegt bei etwa 15–50 Megapascal (MPa).
2. Mittlere Schicht (2,0–2,5 km): Hier werden die Gesteine ​​weniger porös und fester (bis zu 70 MPa). Unter Druck beginnen sie plötzlich zu brechen.
3. Untere Schicht (2,5–3,0 km): Hier ändert sich die Lage, da ihre Druckfestigkeit 110 MPa erreicht. Obwohl diese Gesteine ​​tief liegen, sind sie schwächer als die darüberliegenden. Sie wurden in der Vergangenheit durch heiße Flüssigkeiten und Magma erhitzt und verändert, wodurch sie gebrochen und chemisch verändert wurden. Sie enthalten Mineralien wie Epidot, Chlorit und Amphibol, die sich bei Temperaturen über 360 °C bilden.

Diese geschwächte Zone verhält sich nicht wie intaktes Gestein. Sie bricht leichter und kann Flüssigkeiten einschließen. Daher kann sich hier unter der Erde Druck aufbauen.

Seismische Hinweise auf Brüche und Druckaufbau

Seismische Daten lokaler Erdbeben zwischen 2005 und 2023 wurden zur Erstellung von 3D-Bildern des Untergrunds verwendet. Diese zeigten eine deutliche Verringerung der seismischen Wellengeschwindigkeit in Tiefen von 2,5 bis 3 km (1,55 bis 1,86 Meilen), ein Merkmal, das oft mit gebrochenem, mit Gas oder Flüssigkeit gesättigtem Gestein in Verbindung gebracht wird. Die stärksten Erdbeben der letzten Jahre ereigneten sich knapp über dieser Schicht. Dies stützt die Hypothese, dass Druckansammlungen in der geschwächten Zone Gesteinsbrüche und seismische Aktivitäten auslösen.

Unterhalb dieser Ebene, in etwa 4 km Tiefe, verändert sich das Gestein erneut. Die Vulkanasche weicht deutlich härteren Karbonatgesteinen, die dichter (2.700 kg/m³ gegenüber 1.900 kg/m³) und steifer (Schermodul von 30 GPa gegenüber 8,5 GPa) sind. Diese Grenze verhindert wahrscheinlich, dass aufsteigendes Magma noch höher steigt.

Modellierung von Magmawegen

Die Forscher nutzten Computersimulationen, um zu untersuchen, wie sich Magma beim Aufstieg aus der Tiefe bewegt. Dabei konzentrierten sie sich auf Deiche, schmale, vertikale Magmaschichten. In ihren Modellen begannen diese Deiche in einer Tiefe von acht Kilometern und trieben nach oben durch die Erdkruste.

Die Modelle zeigten, dass diese Deiche in einer Tiefe von 3–4 km zum Stillstand kommen. Dies liegt genau am Übergang von weichem Tuff zu hartem Karbonat. Jedes Mal, wenn ein Deich zum Stillstand kommt, belastet und erhitzt er das umgebende Gestein und schädigt es weiter. Im Laufe der Zeit könnte dieses wiederholte Eindringen die heute sichtbare Schwachzone geschaffen haben.

Modell der flachen Struktur von Campi Flegrei mit Gesteinsschichten, simulierten Magmawegen und Erdbebenorten. Die drei Bereiche basieren auf Bohrlochmessungen und seismischen Daten. Farbige Bereiche markieren Magmagänge in einer Tiefe von 2 bis 3 km. Erdbeben zwischen 2000 und 2025 sind als Kugeln dargestellt. Größere Beben konzentrieren sich nahe der Oberfläche der Intrusionszone, wo sich Druck im geschwächten Gestein aufbaut. Bildnachweis: AGU Advances/Autoren

Um die Simulationen realistisch zu gestalten, berücksichtigte das Team Faktoren wie:

1. Oberflächendruckreduzierung durch den Caldera-Einsturz (5 MPa)
2. Magmadichte (2400–2600 kg/m³)
3. Deichgrößen von 0,003 bis 0,008 km² (0,0012-0,0031 mi²) im Querschnitt

Sie gingen außerdem davon aus, dass jeder Deich die Belastungen der vorhergehenden Deiche allmählich „vergisst“ und seine Wirkung jedes Mal um 20 % abnimmt.

Unruhen in Campi Flegrei eher auf Gasdruck als auf Magmabewegung zurückzuführen

Während es bei früheren Unruheepisoden in Campi Flegrei möglicherweise zu Magma-Intrusionen gekommen ist, scheint die aktuelle Aktivität vor allem durch die Ansammlung von Gas in einer flachen, geschwächten Krustenschicht in einer Tiefe zwischen 2,5 und 3 Kilometern verursacht zu werden.

In dieser Zone führt die Ansammlung von Flüssigkeit zu erhöhtem Druck. Übersteigt dieser die Festigkeit des Gesteins, kommt es zu Brüchen, die Erdbeben und Oberflächenhebungen auslösen.

Die Studie verwendete Modelle von schwellenförmigen Rissen, um herauszufinden, welcher Druck nötig wäre, um den Boden zu verformen. Sie fanden heraus, dass nur 5 bis 15 MPa Überdruck erforderlich wären, was immer noch im Festigkeitsbereich der geschwächten Gesteine ​​in dieser Schicht liegt.

Zusammenhang zwischen vergangenen Schäden und aktuellen Aktivitäten im Phlegräischen Feld

Diese Studie gibt uns einen neuen Einblick in die möglichen Ursachen der Unruhen in den Phlegräischen Feldern. Die Erdkruste verfügt über eine Art geologisches „Gedächtnis“. Alte Intrusionen haben eine vernarbte, spröde Zone hinterlassen, die nun auf tiefe Gas- und Flüssigkeitseinspritzungen reagiert. Diese Zone könnte weiterhin Hebungen und Erdbeben verursachen, selbst wenn das Magma weit unten verbleibt.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass größere Mengen Magma aus tieferen Schichten (7 bis 8 km) direkt an die Oberfläche aufsteigen. In diesen Fällen könnte die Schwächungszone den Aufstieg nicht bremsen. Einige frühere Eruptionen könnten diesem direkteren Weg gefolgt sein.

Durch das Verständnis dieser Struktur können Wissenschaftler die aktuellen Signale besser interpretieren und sich ein klareres Bild davon machen, was als nächstes passieren könnte. Es zeigt auch, dass selbst tief sitzendes Magma durch alte Schäden in der Kruste noch die Oberfläche beeinflussen kann.