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.

Der Artikel erschien zuerst bei anti-matrix.com.