Volcanic similar earthquakes driven by aseismic slip associated with volcanic activity at Ogasawara Ioto

Tief unter der Meeresoberfläche, wo sich die Erdkruste ständig verschiebt, tun Vulkane mehr als nur Eruptionen. Sie atmen, schwellen an und erzittern mit einem ständigen, niederfrequenten seismischen Summen. Um diese rastlosen Giganten zu verstehen, lauschen Wissenschaftler den winzigen Erschütterungen, die durch das Gestein wandern, und behandeln sie wie einen Herzschlag, der die Gesundheit des Vulkans offenbart. Unter diesen Erschütterungen gibt es eine besondere Art von Ereignis, die sogenannte „ähnliche Erdbeben“. Dies sind keine zufälligen Erschütterungen; sie sind nahezu identische Kopien voneinander, die immer wieder vom exakt gleichen Ort aus wiederholt werden. Wenn ein Vulkan diese repetitiven Schocks erzeugt, deutet dies darauf hin, dass ein kleiner, spezifischer Gesteinspatch immer wieder abrutscht, ganz ähnlich wie ein Türscharnier, das jedes Mal im gleichen Rhythmus quietscht, wenn es geöffnet wird. Durch die Untersuchung dieser repetitiven Signale können Forscher die verborgenen Bewegungen von Magma und Fluiden tief unter der Erde kartieren, selbst wenn der Boden darüber nicht sichtbar bebt.

Im abgelegenen Izu-Ogasawara-Inselbogen ist eine kleine vulkanische Insel namens Ioto (oder Iwo-Jima) ein Brennpunkt für solche Aktivitäten. Diese Insel ist ein aktiver Kalderavulkan, ein massiver Krater, der durch antike Eruptionen entstanden ist, und sie durchläuft derzeit eine dramatische Transformation. Seit Jahrhunderten hebt sich die gesamte Insel langsam an, ein Prozess, der durch aufsteigendes Magma von unten angetrieben wird. Während dieses Aufwölbens gut dokumentiert ist, blieb die genaue Art und Weise, wie das Gestein im Inneren der Insel auf diesen Druck reagiert, ein Rätsel. Eine aktuelle Studie von Forschern des Nationalen Instituts für Erdwissenschaften und Katastrophenschutz in Japan hat nun den Vorhang vor dieser verborgenen Aktivität gelüftet. Durch die Analyse tausender seismischer Aufzeichnungen, die über fünf Jahre gesammelt wurden, entdeckten sie, dass der stetige Aufstieg der Insel nicht nur ein sanftes, stilles Anheben ist. Stattdessen wird der Boden durch eine unaufhörliche Serie winziger, repetitiver Gleitbewegungen entlang verborgener Verwerfungen nach oben gedrückt, was ein deutliches Muster aus ähnlichen Erdbeben erzeugt, das eine klare Geschichte von Stress und Entlastung erzählt.

Die Forscher begannen damit, einen massiven Katalog von etwa 60.000 Erdbeben zu durchforsten, die zwischen 2018 und 2023 auf Ioto aufgezeichnet wurden. Die meisten dieser Ereignisse waren hochfrequente Erschütterungen, kurz und knackig, wie sie typisch für vulkanische Regionen sind. Mithilfe eines Computer-Algorithmus, der darauf ausgelegt ist, Muster im Rauschen zu finden, gruppierten sie die Erdbeben basierend darauf, wie eng ihre Wellenformen übereinpassten. Es ist ein wenig so, als würde man einen Stapel aus tausenden handgeschriebenen Briefen sortieren, um diejenigen zu finden, die von derselben Person geschrieben wurden; der Handschriftstil ist so konsistent, dass der Ursprung unverkennbar ist. Das Team identifizierte 19 distinkte Gruppen dieser „ähnlichen Erdbeben“, bei denen die Wellen fast identisch aussahen, was darauf hindeutete, dass sie alle aus derselben winzigen Quelle stammten. Bemerkenswerterweise machten diese repetitiven Ereignisse etwa ein Viertel aller während des Untersuchungszeitraums detektierten vulkanischen Erdbeben aus, was beweist, dass dieses repetitive Gleiten ein dominantes Merkmal des seismischen Lebens der Insel ist und keine seltene Anomalie darstellt.

Nachdem die Gruppen identifiziert worden waren, arbeiteten die Wissenschaftler daran, genau zu bestimmen, wo diese Gleitbewegungen stattfanden. Durch die Kombination des Timings der Wellen, der Richtung, in die sie sich bewegten, und ihrer Stärke, kartierten sie die Standorte der 19 Cluster. Die Ergebnisse zeigten ein markantes Muster: Die ähnlichen Erdbeben waren nicht wahllos über die Insel verteilt. Stattdessen häuften sie sich dicht um bekannte aktive Verwerfungen, insbesondere im südwestlichen Teil der Insel. Erstaunlicherweise wurden keine ähnlichen Erdbeben direkt unter der zentralen Resurgent-Dome gefunden, einem großen, aufgewölbten Hügel in der Mitte der Caldera. Dieses Fehlen ist signifikant; es deutet darauf hin, dass das Gestein direkt unter dem Dome wahrscheinlich zu heiß oder zu flüssigkeitsgefüllt ist, um auf die spröde Weise zu brechen, die erforderlich wäre, um diese repetitiven Schocks zu erzeugen. Stattdessen wird der Stress an den Rändern abgebaut, wo der aufsteigende Dome gegen das umliegende Gestein reibt und so kleine, repetitive Gleitbewegungen auf schmalen Bruchlinien verursacht.

Das Timing dieser Ereignisse bot einen weiteren entscheidenden Hinweis. Die Forscher fanden eine starke Verbindung zwischen der Häufigkeit dieser ähnlichen Erdbeben und der Rate, mit der sich die Insel anhob. Wenn sich der Boden schneller hob, traten die Erdbeben häufiger auf. Tatsächlich war die Zeit zwischen diesen repetitiven Gleitbewegungen unglaublich kurz, oft nur wenige Tage. Dies ist wesentlich schneller als die repetitiven Erdbeben entlang großer tektonischer Plattengrenzen, wo solche Ereignisse vielleicht Jahre oder Jahrzehnte warten, bis sie erneut auftreten. Die Geschwindigkeit der Rezidivrate auf Ioto ist ein direktes Resultat des schnellen Aufwölbens der Insel, das mit einer Rate von bis zu einem Meter pro Jahr geschieht. Dieser intensive Druck belastet die kleinen Bruchflächen so schnell, dass sie versagen und fast unmittelbar wieder abgleiten, was eine rasante Folge von winzigen Erdbeben erzeugt.

Um die physikalische Natur dieser Gleitbewegungen zu verstehen, schätzte das Team die Größe der Bruchflächen und die Menge des freigesetzten Stresses. Sie berechneten, dass die Fläche des Gesteins, die bei jedem Ereignis abglitt, unglaublich klein war, mit einem Radius von nur etwa 21 Metern. Auch der freigesetzte Stress, bekannt als Stressabfall (Stress Drop), war sehr gering und lag für fast alle Cluster bei weniger als einem Megapascal. Um dies in Perspektive zu setzen: Dies ist eine sehr sanfte Energiefreisetzung im Vergleich zu den massiven Stressabfällen, die bei großen, zerstörerischen Erdbeben beobachtet werden. Der geringe Stress und die kleine Größe legen nahe, dass das Gestein in diesen Gebieten geschwächt ist, wahrscheinlich durch das Vorhandensein heißer vulkanischer Fluide und Dampf, die die Bruchlinien schmieren. Da das Gestein so schwach ist und die Gleitfläche so klein, bleiben die Erdbeben winzig und überschreiten selten eine Magnitude von 1,0, was erklärt, warum die Insel nicht die großen, zerstörerischen Beben erlebt, die an anderen vulkanischen Standorten vorkommen.

Die Studie untersuchte auch die gesamte Menge der durch diese Gleitbewegungen verursachten Bewegung. Durch die Addition der Gleitbewegungen aller ähnlichen Erdbeben über den Fünfjahreszeitraum hinweg fanden die Forscher heraus, dass die kumulative Bewegung etwa drei Meter erreichte. Dies ist eine signifikante Menge an Bewegung, doch sie macht nur etwa 60 Prozent des gesamten an der Oberfläche beobachteten Aufwölbens aus. Diese Diskrepanz offenbart ein entscheidendes Puzzleteil: Während die ähnlichen Erdbeben eine bedeutende Stressentlastung darstellen, sind sie nicht die ganze Geschichte. Ein erheblicher Teil des Anstiegs der Insel geschieht lautlos, durch aseismisches Gleiten, bei dem das Gestein glatt gleitet, ohne jegliche Erdbeben zu erzeugen. Dies bedeutet, dass sich die Insel durch eine Kombination aus heftigen, winzigen Rucken und einem stetigen, lautlosen Fließen verformt.

Die Ergebnisse zeichnen das Bild eines Vulkans, der lebendig und aktiv ist, aber auf eine Weise, die sich von den explosiven Eruptionen unterscheidet, die oft mit solchen Orten assoziiert werden. Die repetitiven, kleinskaligen Erdbeben auf Ioto sind das Geräusch der Kruste, die sich an den immensen Druck des aufsteigenden Magmas anpasst. Sie sind keine Anzeichen für eine unmittelbar bevorstehende, katastrophale Eruption, sondern vielmehr Beweise für ein System, das Stress ständig über ein Netzwerk kleiner, geschmierter Verwerfungen abbaut. Die Forschung bestätigt, dass der schnelle Aufstieg der Insel diese repetitiven Gleitbewegungen vorantreibt und dass das Vorhandensein vulkanischer Fluide eine Schlüsselrolle spielt, um die Bruchfestigkeit niedrig zu halten. Während die genaue Geometrie der Verwerfungen aufgrund der begrenzten Anzahl seismischer Stationen auf der kleinen Insel schwer zu bestimmen bleibt, ist das Gesamtbild klar: Ioto ist ein dynamisches System, in dem sich der Boden ständig verschiebt, gleitet und hebt, angetrieben durch den langsamen, kraftvollen Druck der Erde von unten. Dieses Verständnis hilft Wissenschaftlern, die vulkanische Aktivität besser zu überwachen und zwischen den harmlosen, repetitiven Anpassungen eines ansteigenden Domes und den gefährlicheren Signalen, die einer großen Eruption vorausgehen könnten, zu unterscheiden.