In Fehler bohren

Geologen wagen es, dorthin zu gehen, wo sie einst nur davon träumen konnten, dorthin zu gelangen, wo Erdbeben tatsächlich passieren. Drei Projekte haben uns in die seismogene Zone geführt. Projekte wie diese brachten uns, wie ein Bericht es ausdrückte, "an den Abgrund von Quantenfortschritten in der Wissenschaft der Erdbebengefahren".

Bohren der San Andreas-Verwerfung in der Tiefe

Das erste dieser Bohrprojekte bohrte in der Nähe von Parkfield, Kalifornien, in einer Tiefe von etwa 3 Kilometern neben der Verwerfung von San Andreas ein Bohrloch. Das Projekt heißt San Andreas Fault Observatory bei Depth oder SAFOD und ist Teil des viel größeren Forschungsaufwands von EarthScope.

Die Bohrungen begannen im Jahr 2004 mit einem vertikalen Loch, das 1500 Meter hinunterging und sich dann in Richtung der Verwerfungszone krümmte. Die Arbeitssaison 2005 verlängerte dieses schräge Loch über den gesamten Fehler hinweg und es folgten zwei Jahre Überwachung. 2007 bohrten Bohrer vier separate Seitenlöcher, die sich alle auf der nahen Seite des Fehlers befanden und mit allen Arten von Sensoren ausgestattet waren. Die Chemie von Flüssigkeiten, Mikrobeben, Temperaturen und mehr wird für die nächsten 20 Jahre aufgezeichnet.

Während diese Seitenlöcher gebohrt wurden, wurden Kernproben von intaktem Gestein entnommen, die die aktive Verwerfungszone durchquerten und verlockende Beweise für die dortigen Prozesse lieferten. Wissenschaftler haben eine Website mit täglichen Bulletins gepflegt, und wenn Sie diese lesen, werden Sie einige der Schwierigkeiten dieser Art von Arbeit bemerken.

SAFOD wurde sorgfältig an einem unterirdischen Ort platziert, an dem sich regelmäßig kleine Erdbeben ereignet haben. Genau wie die letzten 20 Jahre der Erdbebenforschung in Parkfield zielt SAFOD auf einen Teil der Verwerfungszone von San Andreas ab, in dem die Geologie einfacher zu sein scheint und das Verhalten der Verwerfung besser beherrschbar ist als anderswo. In der Tat wird der gesamte Fehler als leichter zu untersuchen angesehen als die meisten anderen, da er eine einfache Streik-Rutsch-Struktur mit flachem Boden in einer Tiefe von etwa 20 km aufweist. Wie die Verwerfungen verlaufen, handelt es sich um ein ziemlich gerades und schmales Aktivitätsband mit gut kartierten Felsen auf beiden Seiten.

Trotzdem zeigen detaillierte Karten der Oberfläche ein Gewirr verwandter Fehler. Zu den kartierten Gesteinen gehören tektonische Splitter, die während ihrer hundert Kilometer Versetzung über die Verwerfung hin und her gewechselt wurden. Die Muster der Erdbeben in Parkfield waren nicht so regelmäßig oder einfach, wie die Geologen gehofft hatten. Trotzdem ist SAFOD unser bisher bester Blick auf die Wiege der Erdbeben.

Die Nankai-Trog-Subduktionszone

In globaler Hinsicht ist die San-Andreas-Verwerfung, auch wenn sie so lang und aktiv ist, nicht die bedeutendste Art von seismischer Zone. Subduktionszonen erhalten diesen Preis aus drei Gründen:

• Sie sind für die größten Erdbeben der Stärke 8 und 9 verantwortlich, die wir aufgezeichnet haben, wie das Erdbeben in Sumatra im Dezember 2004 und das Erdbeben in Japan im März 2011.
• Erdbeben in der Subduktionszone lösen Tsunamis aus, da sie sich immer unter dem Ozean befinden.
• Subduktionszonen sind Bereiche, in denen sich lithosphärische Platten auf dem Weg in den Erdmantel, in dem die meisten Vulkane der Welt entstehen, zu und unter anderen Platten bewegen.

Es gibt also zwingende Gründe, mehr über diese Fehler zu erfahren (und viele weitere wissenschaftliche Gründe), und das Ergründen eines Fehlers gehört zum Stand der Technik. Das Integrated Ocean Drilling Project leistet dies mit einem neuen hochmodernen Bohrschiff vor der Küste Japans.

Das seismogene Zonenexperiment (SEIZE) ist ein dreiphasiges Programm, das die Ein- und Ausgänge der Subduktionszone misst, in der die philippinische Platte im Nankai-Trog auf Japan trifft. Dies ist ein flacher Graben als die meisten Subduktionszonen, was das Bohren erleichtert. Die Japaner haben eine lange und genaue Geschichte von Erdbeben in dieser Subduktionszone, und der Ort ist nur einen Tag Schiffsfahrt vom Land entfernt.

Trotzdem erfordert das Bohren unter den vorhergesehenen schwierigen Bedingungen eine Steigleitung - ein Außenrohr vom Schiff zum Meeresboden -, um Ausblasen zu verhindern, und damit die Anstrengung fortgesetzt werden kann, Bohrschlamm anstelle von Meerwasser zu verwenden, wie dies bei früheren Bohrungen der Fall war. Die Japaner haben ein brandneues Bohrschiff gebaut, Chikyu (Erde), die die Arbeit erledigen kann und 6 Kilometer unter dem Meeresboden erreicht.

Eine Frage, die das Projekt beantworten möchte, ist, welche physikalischen Veränderungen den Erdbebenzyklus bei Subduktionsfehlern begleiten. Eine andere ist, was in der seichten Region passiert, in der weiches Sediment in sprödes Gestein übergeht, die Grenze zwischen sanfter Verformung und seismischer Störung. Es gibt Orte an Land, an denen dieser Teil der Subduktionszonen Geologen ausgesetzt ist, daher sind die Ergebnisse des Nankai-Trogs sehr interessant. Die Bohrungen begannen im Jahr 2007. 

New Zealand's Alpine Fault bohren

Die Alpenstörung auf Neuseelands Südinsel ist eine große Schrägschubstörung, die alle paar Jahrhunderte Erdbeben der Stärke 7,9 verursacht. Ein interessantes Merkmal der Verwerfung ist, dass eine kräftige Anhebung und Erosion einen dicken Querschnitt der Kruste schön freigelegt haben, der frische Proben der tiefen Verwerfungsoberfläche liefert. Das Deep-Fault-Drilling-Projekt, eine Zusammenarbeit von neuseeländischen und europäischen Institutionen, bohrt Bohrkerne direkt in die alpine Verwerfung. Im ersten Teil des Projekts gelang es im Januar 2011, die Verwerfung zweimal in nur 150 Metern Tiefe zu durchdringen und zu bohren und anschließend die Bohrlöcher zu instrumentieren. In der Nähe des Whataroa-Flusses ist 2014 ein tieferes Loch geplant, das 1500 Meter tief werden soll. In einem öffentlichen Wiki werden frühere und aktuelle Daten aus dem Projekt bereitgestellt.