Am Campi Flegrei wurde heute Nachmittag um 16:06 Uhr ein Beben der Stärke 2,6 registriert. Tiefe: 2,9 Kilometer. Dies wurde von der Bevölkerung deutlich gespürt. Das Beben wurde in Quarto, Monterusciello, Lucrino, Arco Felice, Pianura, Bacoli, Licola, Agnano, Fusaro und Monte di Procida wahrgenommen.
Neues Modell entdeckt komplexe Erdbebenmuster in den Phlegräischen Feldern nahe Neapel
Der Vulkankomplex der Phlegräischen Felder, der unter dem Großraum Neapel – einer Stadt mit 900.000 Einwohnern in Italien – liegt, hebt sich seit 2005 zunehmend, begleitet von einer steigenden Anzahl kleiner Erdbeben. Diese Entwicklung erregt in der dicht besiedelten Region seit Jahren wachsende Aufmerksamkeit.
Obwohl solche Hebungs- und Senkungsphasen dort seit über tausend Jahren auftreten, ist der Zusammenhang zwischen Bodenhebung und seismischer Aktivität komplex und noch nicht vollständig erforscht.
Eine aktuelle Studie in der Fachzeitschrift „Communications Earth and Environment“ zeigt, dass der langfristige Trend der Erdbebenaktivität gut durch die Kombination von Spannungsänderungen in der Erdkruste mit dem Reibungsverhalten geologischer Verwerfungen erklärt werden kann.
Die zusätzlich beobachteten Erdbebenschwärme lassen sich zumindest teilweise durch Wechselwirkungen zwischen einzelnen Erdbeben erklären und erfolgreich als überlagerte Nachbebensequenzen modellieren.
Das Forschungsteam um PD Dr. Sebastian Hainzl vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geowissenschaften hat die in den letzten Jahrzehnten beobachteten Erdbebenmuster erfolgreich reproduziert, indem es langfristige und kurzfristige Modellierungsansätze kombinierte.
Dazu analysierten die Forschenden Erdbebenkataloge und Höhenmessungen, die bis etwa 1905 zurückreichen. Ein Test zeigte, dass das Modell auch für kurzfristige, probabilistische Vorhersagen geeignet ist, insbesondere hinsichtlich der zu erwartenden Erdbebenrate und maximalen Magnitude über Zeiträume von Wochen bis Monaten. Die Studie liefert somit ein wichtiges neues Instrument zur besseren Beurteilung der Erdbebengefährdung in den Phlegräischen Feldern.
Uplift-Zyklen in Campi Flegrei
Unterhalb der 900.000 Einwohner zählenden Metropole Neapel erstreckt sich ein komplexes magmatisches System mit verschiedenen Magmenreservoirs in der Erdkruste und im oberen Erdmantel. Seit Jahrhunderten führen magmatische und hydrothermale Prozesse in den Phlegräischen Feldern zu wiederkehrenden Phasen der Bodenhebung und -senkung, die häufig von erhöhter seismischer Aktivität begleitet werden.
Gelegentlich münden diese Zyklen in Vulkanausbrüchen, die neue Maare oder Kegel bilden. Der letzte Ausbruch ereignete sich 1538 am Monte Nuovo nach Hebungsphasen zwischen 1400 und 1536, die der heutigen Situation ähneln.
Seit 2005 hebt sich der Boden erneut, bisher um mehr als einen Meter. Begleitet wird dies von einer Zunahme flacher Erdbeben, was angesichts der hohen Bevölkerungsdichte Anlass zur Sorge gibt. Ähnliche Hebungsphasen gab es bereits im 20. Jahrhundert – insbesondere in den Jahren 1950–52, 1969–72 und 1982–84. Teilweise führten diese aufgrund der erhöhten seismischen Aktivität sogar zu Evakuierungsmaßnahmen.Geologie
Das langfristige Phänomen der Landhebung und der seismischen Aktivität wird auf den Anstieg des Drucks innerhalb eines gasreichen Reservoirs in einer Tiefe von 3–4 Kilometern zurückgeführt und nicht auf das Eindringen von Magma.
In ihrer jüngsten Studie untersuchten PD Dr. Hainzl, Forscher in der GFZ-Sektion 2.1 „Physik von Erdbeben und Vulkanen“, Prof. Dr. Torsten Dahm, Leiter derselben Sektion, und Dr. Anna Tramelli vom italienischen Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) die Ursache der charakteristischen seismischen Aktivitätsmuster in der Region. Ihre Analyse basiert auf der Modellierung von Daten aus Erdbebenkatalogen und Oberflächenverformungen.
Letztere Daten stammen aus langjährigen Nivellierungsmessungen seit 1905 sowie aus Kurzzeitdaten der GPS-Station RITE am selben Standort. Die Seismizitätsdaten werden verschiedenen Erdbebenkatalogen entnommen: seit 2005 dem lokalen Katalog der Dauermagnituden des Observatorio Vesuviano; über einen längeren Zeitraum dem HORUS-Katalog der homogenisierten Momentenmagnituden für Erdbeben in Italien seit 1960.
Um die Mechanismen hinter den beobachteten Phänomenen zu untersuchen, verglich und kombinierte das Forschungsteam verschiedene Modellierungsansätze.
Langfristige Entwicklungen: Bodenhebung und Erdbeben
Die Studie zeigt, dass die seismische Aktivität in den Phlegräischen Feldern eng mit der Bodenhebung zusammenhängt. Die Erdbebenrate ist jedoch nicht einfach proportional zur Hebungsrate; seit 2005 zeigt sie ein deutlich nichtlineares, beschleunigtes Verhalten.
Die Forscher demonstrieren, dass der aus der Felsmechanik bekannte Kaiser-Effekt zwar die grundlegende Beziehung zwischen Hebung und Seismizität der letzten 100 Jahre erklärt, aber für eine detaillierte Beschreibung nicht ausreicht.
Die kontinuierlich zunehmende seismische Aktivität, d. h. die nichtlineare Beziehung zwischen Hebung und Seismizität, lässt sich stattdessen durch das aus Laborexperimenten bekannte Reibungs- und Bruchverhalten erklären. Hier kommt das sogenannte RS-Modell (Rate-and-State-Modell) zum Einsatz.
Kurzfristige Entwicklungen: Erdbebenschwärme
Während der langfristige Trend der Seismizität mit Hebungen korreliert und durch Spannungsaufbau im Gestein erklärt werden kann, trifft dies nicht auf die kurzfristig beobachteten Erdbebenschwärme zu. Diese Schwärme korrelieren nicht mit Landhebungen und stehen wahrscheinlich im Zusammenhang mit episodischen Fluidintrusionen und deren Wechselwirkungen mit Erdbeben.
„Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass diese Erdbebenschwärme zumindest teilweise durch Wechselwirkungen zwischen einzelnen Ereignissen erklärt werden können und dass sie typische Merkmale tektonischer Nachbebensequenzen aufweisen“, erklärt Hainzl.
Das Standardmodell für die statistische Beschreibung von Erdbebenwechselwirkungen ist das sogenannte Epidemic-Type Aftershock Sequence Model (ETAS).
Innovativer Modellierungsansatz: Kombination zweier Modelle
Um sowohl die Physik der langfristigen stressbedingten Veränderungen als auch die statistischen Merkmale der kurzfristigen Erdbebenhäufung zu erfassen, kombinierten die Forscher das RS-Modell zur Beschreibung der zeitabhängigen Hintergrundrate mit dem ETAS-Erdbebeninteraktionsmodell für die Erdbebenschwärme.
„Mit dieser Kombination konnten wir das langfristige Auftreten der beobachteten größeren Erdbeben mit Magnituden M>3 seit 1960 sowie die detaillierteren Beobachtungen der Aktivität mit kleineren Magnituden M>0,5 seit 2005 erfolgreich modellieren“, fasst Hainzl zusammen.
Prognosetests auf Basis historischer Daten zeigen, dass das entwickelte kombinierte Modell probabilistische Kurzfristprognosen von Erdbebenhäufigkeit und maximaler Magnitude ermöglicht.
„Dieser hybride Modellierungsansatz stellt daher ein vielversprechendes Instrument zur Verbesserung der seismischen Gefährdungsbeurteilung in den Phlegräischen Feldern und möglicherweise auch in anderen Vulkansystemen dar“, so Hainzl.
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