Während des Erdbebens, das im Dezember 2013 im oberen Tibertal begann, wurde ein langsames Deformationssignal (5 mm Ausdehnung in etwa sechs Monaten) registriert. Dieses Signal ist wichtig für die Beurteilung des seismischen Potenzials. Dies sind die Ergebnisse einer Studie des INGV, der Universität Bologna und des Caltech (USA), die in Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde.
Während des Erdbebenschwarms, der im Dezember 2013 im oberen Tibertal begann, registrierten hochauflösende seismische und geodätische Netzwerke vorübergehende Deformationssignale, die mit der Verwerfungsaktivität im nördlichen Apennin korrelierten. Die Studie „Aseismic deformation associated with an earthquake swarm in the northern Apennines“, die vom Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) in Zusammenarbeit mit der Universität Bologna und dem California Institute of Technology (Caltech, USA) durchgeführt wurde, wurde in Geophysical Research Letters veröffentlicht (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL073687/full).
„Die Abschätzung der aseismischen Gleitkomponente von Verwerfungen und das Verständnis der Rolle dieser Bewegungen bei der Förderung oder Verzögerung der Aktivierung starker Erdbeben“, erklärt Enrico Serpelloni, Forscher am INGV, „ist ein Thema, das in der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft auf großes Interesse stößt.“
Bei starken Erdbeben verschieben sich Verwerfungen in der Regel schlagartig und setzen dabei die über Jahrhunderte oder Jahrtausende angesammelte Energie frei. Manche Verwerfungsabschnitte verschieben sich jedoch fast kontinuierlich und nicht in Verbindung mit starken Erdbeben; dies wird als aseismische Verschiebung bezeichnet. Schließlich gibt es noch andere Verwerfungen, die sich hauptsächlich bei starken Erdbeben verschieben, gelegentlich oder fast periodisch aber auch aseismische Verschiebungen bei sogenannten langsamen Erdbeben aufweisen. Diese Ereignisse sind in Subduktionszonen des Pazifischen Ozeans gut bekannt, weniger jedoch in Gebieten mit geringer Deformationsrate, wie beispielsweise dem Mittelmeerraum.
„Hochdichte Überwachungsnetzwerke ermöglichen es uns, selbst bei relativ kleinen Verwerfungen und in Kontexten mit geringer tektonischer Deformationsrate eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung von Bodendeformationen und Seismizität zu erreichen“, fährt Serpelloni fort.
Eine multivariate statistische Analysetechnik, die Variational Bayesian Independent Component Analysis (Gualandi et al., 2016), wurde auf die Zeitreihen der Bodenverschiebung angewendet, die von den Stationen des INGV-Netzwerks des Global Positioning System (GPS) aufgezeichnet wurden, das entlang der Altotiberina-Verwerfung installiert und mit anderen regionalen Netzwerken integriert ist, innerhalb des Observatoriums namens TABOO – The AltotiBerina near fault Observatory (das Teil des Netzwerks der Near Fault Observatories – dichte geophysikalische Observatorien in der Nähe aktiver Verwerfungen – des Projekts European Plate Observing System – EPOS ist); https://www.epos-ip.org. Abbildung 1).
„Dank der räumlichen und zeitlichen Dichte der verfügbaren Daten“, fügt der Forscher hinzu, „konnte ein Deformationstransient festgestellt werden, d. h. eine nichtlineare Abweichung in der Zeitreihe der Verschiebung (die im Allgemeinen zusätzlich zu saisonalen Schwankungen aufgrund nichttektonischer Prozesse ein Signal linearer Verschiebung im Zeitverlauf zeigt), die einem seismischen Schwarm entspricht, der Ende Dezember 2013 begann, etwa ein Jahr andauerte und im Bereich der Altotiberina-Verwerfung lokalisiert war (Abbildungen 2 und 3a)“.
Der Schwarm hatte am 3.8. Dezember 22 eine maximale Magnitude von ML 2013, es wurden jedoch auch Tausende anderer kleiner Erdbeben aufgezeichnet (Abb. 1 und 2).
„Die Ergebnisse“, so der Forscher abschließend, „zeigen, dass dieser Abschnitt des Apennins in den ersten sechs Monaten des Erdbebens eine Ausdehnung von 6 mm in SW-NO-Richtung erfuhr (Abbildung 5c), was mit einer langfristigen tektonischen Ausdehnung übereinstimmt (Abbildung 3). Die Verschiebung betraf zwei kleine Verwerfungssegmente im Krustenvolumen oberhalb der Altotiberina-Verwerfungsebene (Abbildung 1), die auf die ersten 1 km Tiefe beschränkt sind. Der oberflächliche Teil (bis zu 5 km tief) beherbergte eine aseismische Verschiebung, während der tiefere Teil (zwischen 2 und 2 km tief) ein gemischt seismisch-aseismisches Verhalten hervorrief. Diese Studie zeigt, wie es mit dichten Überwachungsnetzen und fortschrittlichen Zeitreihenanalysetechniken möglich ist, selbst Verschiebungen in der Größenordnung von wenigen Millimetern zu identifizieren, die mit aseismischen Deformationen oder während Erdbebenschwärmen verbunden sind, und zwar an der Grenze des Auflösungsvermögens der GPS-Technologie.“
Abstract
Durch Analyse der Verschiebungszeitreihe von kontinuierlichem GPS (cGPS) mit einer unabhängigen Komponentenanalyse erkennen wir ein vorübergehendes Deformationssignal, das sowohl räumlich als auch zeitlich mit einer seismischen Schwarmaktivität (maximales Mw = 3.69 ± 0.09) korreliert, die 2013–2014 im Hangenden der Altotiberina-Abschiebung (nördlicher Apennin, Italien) auftrat. Der geodätische Transient dauerte etwa 6 Monate und erzeugte eine von Nordwesten nach Südosten verlaufende Ausdehnung von etwa 5.3 mm, was mit dem regionalen tektonischen Regime übereinstimmt. Die Seismizität und das geodätische Signal stehen im Einklang mit einer Verschiebung an zwei Splay-Verwerfungen im Hangenden der Altotiberina-Verwerfung (ATF). Beim Vergleich des seismischen Moments, das mit dem geodätischen Transienten und den seismischen Ereignissen verbunden ist, stellen wir fest, dass die Seismizität nur einen Bruchteil der gemessenen geodätischen Deformation ausmacht. Durch die kombinierte seismische und aseismische Verschiebung verringerte sich die Coulomb-Spannung im verriegelten flachen Abschnitt des ATF, während der Übergangsbereich zum Kriechabschnitt belastet wurde.
Abbildung 1 – Seismisch-tektonische und kinematische Karte des Untersuchungsgebiets. Die schwarzen Pfeile zeigen die langfristige Ausdehnungsrichtung (geschätzt anhand der linearen Geschwindigkeiten der GPS-Stationen) in einem lokalen Referenzsystem. Die gelben Quadrate zeigen die historische Seismizität aus dem Parametrischen Katalog italienischer Erdbeben (https://emidius.mi.ingv.it/CPTI). Der Abschnitt A-A' verläuft senkrecht zur NW-SE-Richtung der Altotiberina-Verwerfung. Die während des Untersuchungszeitraums aufgezeichnete Seismizität ist in Grau dargestellt, während die rot-gelbe Skala die Seismizität des seismischen Schwarms zeigt, der im Dezember 2013 begann.
Abbildung 2 – Zeitliche Entwicklung der Anzahl der Erdbeben im Gebiet von Abbildung 1 von 2010 bis Oktober 2015. Die magentafarbenen, blauen und grünen Kurven zeigen jeweils die kumulative Anzahl der Erdbeben für den gesamten Katalog, die kumulative Anzahl der Erdbeben für die Hintergrundseismizität, die hauptsächlich auf der Flachwinkelebene der Altotiberina-Verwerfung lokalisiert ist, und die kumulative Anzahl der Ereignisse, die mit dem in Abbildung 1 rot-gelb dargestellten Seismizitätscluster verbunden sind.
Abbildung 3 – a) Vergleich zwischen dem geodätischen Deformationssignal (schwarze Punkte und rote Linie) und der kumulierten (normalisierten) Anzahl von Erdbeben im in Abb. 1 gezeigten Cluster. b) Vergleich zwischen der mit der geodätischen Deformationstransiente verbundenen Momentenfreisetzung (schwarze Punkte und rote Linie) und der mit der instrumentellen Seismizität verbundenen Momentenfreisetzung (grüne Linie). c) Kumulative Bodenverschiebungen (über ungefähr 6 Monate) in Verbindung mit der Deformationstransiente. Modellergebnisse sind blau dargestellt, Beobachtungen rot. Fehlerellipsen sind zur besseren Lesbarkeit weggelassen. Die schwarz umrandeten Kästen zeigen die beiden während des seismischen Schwarms aktivierten Steilstrukturen und die damit verbundene Gleitverteilung. d) Variation der Coulomb-Spannung auf der Altotiberina-Verwerfungsebene, verursacht durch das Gleiten der in Feld c gezeigten Steilverwerfungen. Die Bereiche, in denen die Spannung abnimmt/zunimmt, sind blau/rot dargestellt.
Abbildung 4 – Standort des TABOO-Observatoriums im oberen Tibertal.