Überwachung der unruhigen Erde auf das nächste „große Beben“

Der USGS Wave Glider im Einsatz, ausgestattet mit Sonardyne GNSS-A-Instrumenten. Bildnachweis: USGS

Als sich 2021 das Chignik-Erdbeben der Stärke 8,2 vor der Küste Alaskas ereignete, war dies ein deutliches Warnsignal.

Das stärkste Erdbeben in den USA seit 1965 und eines der stärksten weltweit in den letzten Jahren; es erinnerte uns an die geologischen Gefahren, die vor unseren Küsten lauern.

Solche Ereignisse auf See könnten einen Tsunami auslösen und dadurch große Küstenstädte und -regionen gefährden.

Bis vor kurzem war die geologische Aktivität, die zu einem Erdbeben wie dem von Chignik führt, für Wissenschaftler ein bedeutender blinder Fleck, der unter den Wellen verborgen und unzugänglich lag.

Dank der fortlaufenden Zusammenarbeit und Entwicklung zwischen dem Unterwassertechnologieunternehmen Sonardyne, der Scripps Institution of Oceanography und dem US Geological Survey (USGS) ist die Fernüberwachung unserer unruhigen Erde nicht nur möglich, sondern wird auch zur Standardpraxis.

Mithilfe einer Technik namens GNSS-A wird ein zunehmender Teil der Küstenlinie, die besonders anfällig für Erdbeben- und Tsunami-Gefahren ist, einschließlich der US-Pazifikküste, überwacht.

Was ist GNSS-A?

GNSS-A kombiniert Satellitenpositionierung mit Unterwasserakustik, um Meeresbodenbewegungen zentimetergenau zu erfassen. Ein unbemanntes Oberflächenfahrzeug (USV) mit der GNSS-A-Nutzlast von Sonardyne patrouilliert über einer Anordnung von Sonardyne-Fetch-Transpondern auf dem Meeresboden.

Durch die Kombination der bekannten Oberflächenposition mit akustischen Impulsen, die zu jedem Fetch-Transponder gesendet werden, kann die genaue Position jedes Transponders und damit die Position des Meeresbodens, auf dem er sich befindet, berechnet werden.

Durch die wiederholte Durchführung dieser Messungen über einen längeren Zeitraum können Wissenschaftler die Bewegung tektonischer Platten entlang von Verwerfungen verfolgen, um die Erdbeben- und Tsunami-Gefahr besser zu verstehen und abzuschätzen.

Eine der Organisationen, die diese Technik zur Überwachung von Subduktionszonen einsetzen, in denen eine Platte unter eine andere gleitet, ist der USGS.

Die ersten Versuche zur Erforschung der Anwendung dieser Technologie begannen 2017 in Zusammenarbeit mit der University of Hawaii und Scripps. Mithilfe eines Wave Gliders und Meeresbodensensoren wurde gemessen, wie die Reibung zwischen zwei tektonischen Platten das Gleiten behindert und zu einem Spannungsaufbau führt – im Wesentlichen wurde also gemessen, „wie fest die Platten aneinanderkleben“.

Seitdem haben sie weiterhin zur Entwicklung von GNSS-A beigetragen, indem sie Sonardyne GNSS-A-Module und Fetch-Transponder verwendet haben.

Vorbereitung des USGS Wave Gliders für den Start an Bord des Forschungsschiffs „North Wind“ der California Polytechnic State University Humboldt. Bildnachweis: USGS

Ausweitung der GNSS-A-Überwachung entlang der Cascadia-Subduktionszone

Ein wichtiger Schwerpunkt der USGS liegt auf der Cascadia-Subduktionszone, einer 1000 km langen Verwerfung vor der Küste des pazifischen Nordwestens, die von Vancouver Island in Kanada bis nach Nordkalifornien verläuft.

Zwischen 2021 und 2025 hat der USGS vier Überwachungsstationen auf dem Meeresboden vor der US-Pazifikküste am südlichsten Rand dieser Zone installiert.

Sie sind Teil eines größeren Netzwerks entlang der Cascadia-Subduktionszone, wo drei Platten, die Explorer-, Juan-de-Fuca- und Gorda-Platte, unter die Nordamerikanische Platte gleiten und so das Potenzial für Erdbeben der Stärke 9+ und große Tsunamis schaffen.

Die GNSS-A-Stationen des USGS, die jeweils mit drei Fetch-Transpondern ausgestattet sind, befinden sich auf der südlichsten Gorda-Platte. Die Unsicherheit bezüglich der Bewegung der Gorda-Platte im Verhältnis zur Bewegung der Nordamerikanischen Platte hat Auswirkungen auf die Stärke und Häufigkeit von Erdbeben in der Region.

„Bevor wir diese Möglichkeit hatten, konnten wir GPS-Netzwerke an Land nur nutzen, um die langsamen Bewegungen des Meeresbodens in einer Entfernung von mehr als 50 Meilen vor der Küste bis auf den Submillimeterbereich genau zu schätzen“, sagt Todd Ericksen, Geodät am Earthquake Science Center des USGS in Kalifornien.

„Doch der Meeresboden war ein blinder Fleck; ein wichtiges fehlendes Puzzleteil der globalen Tektonik, was bedeutete, dass das wahre Ausmaß der Gefahr unter dem Ozean weitgehend unbekannt war. Unsere Instrumente endeten an der Küstenlinie.“

„In Gebieten wie der Cascadia-Subduktionszone, wo ozeanische Platten unter die Nordamerikanische Platte abtauchen, schließen geodätische Messstationen am Meeresboden eine wichtige Lücke und helfen uns, die Erdbeben- und Tsunami-Gefahr besser zu verstehen. Wenn sich die Platten in dieser Zone verhaken und dadurch Spannungen aufbauen, sind die gesamte Küstenlinie und Städte wie Vancouver, Victoria und Seattle einem erheblichen Tsunami-Risiko ausgesetzt.“

Mit GNSS-A ausgestattete Wave Glider-Schiffe wurden mittschiffs an Bord des Forschungsschiffs „North Wind“ in Eureka, Kalifornien, verladen und sind von drei geodätischen Meeresbodenvermessungspunkten umgeben, die entlang der Cascadia-Subduktionszone eingesetzt werden sollen. Bildnachweis: USGS

Topo-Bathymetrie-Karte der Cascadia-Subduktionszone mit geodätischen Geschwindigkeiten an Land und vor der Küste (USGS- und NSF-Meeresbodenmessstationen). Quelle: USGS

Wichtige Erkenntnisse aus der Aleuten-Subduktionszone

Eine der tektonischen Quellen starker Erdbeben, die der USGS überwacht, ist die Aleuten-Subduktionszone. Hier ereignete sich das Chignik-Erdbeben – und der USGS war für einen Einsatz nach dem Beben bereit.

Nur wenige Jahre zuvor waren drei GNSS-A-Überwachungsstationen auf dem Meeresboden vor Alaska in der Aleuten-Subduktionszone von einem Wissenschaftlerteam eingerichtet worden, das von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanziert wurde.

Vor dem Erdbeben der Stärke 8,2 in Chignik hatten der USGS und Scripps mehrere Wave-Glider-Untersuchungen durchgeführt, um die Position der Messstationen in einer Wassertiefe von etwa 1.200 m zu überwachen.

Bereits wenige Wochen nach dem Erdbeben setzte die USGS ihren Wave Glider wieder ein, um die Bewegungen während und kurz nach dem Erdbeben zu messen.

Trotz schwieriger Wetterbedingungen sammelte die Mission hochpräzise GNSS- und Akustikdaten mit aufschlussreichen Ergebnissen.

„Der Tsunami war zwar schwach, aber das seismische Ereignis war das stärkste in den USA seit fast sechs Jahrzehnten“, sagt Ericksen. „Wir hatten also mit einer starken Bodenbewegung gerechnet. Aber es war unglaublich, das genaue Ausmaß zu erfahren – nämlich 1,4 Meter.“ Dies war eine entscheidende Erkenntnis über die Bewegungen während und nach dem Erdbeben und trug zum Verständnis der Dynamik von Subduktionszonen bei.

Die große Frage war: Hat das Chignik-Erdbeben den Spannungszustand und das Tsunami-Potenzial im hangaufwärts gelegenen Teil der Verwerfung erhöht oder nicht?

„Die Messungen zeigten, dass sich die Verwerfung in einem flachen Abschnitt, weniger als 20 km unter dem Meeresboden, horizontal um 2 bis 3 Meter verschoben hat. Dies hilft uns zu verstehen, wie sich Spannungen entlang der Verwerfung aufbauen und bei einem Erdbeben freigesetzt werden“, sagt er.

„Diese Ergebnisse legen nahe, dass die kumulative Verschiebung die Spannung im flachen Teil der Verwerfung verringert hat und dass das Chignik-Erdbeben daher wahrscheinlich nicht das Tsunami-Potenzial der flachen Verwerfung erhöht hat.“

„Es zeigte auch die Effektivität der GNSS-A-Technik und den Nutzen von GNSS-A-Schnellmessungen zur besseren Beurteilung von Tsunami- und Erdbebengefahren in der Region.“

Die Ursprünge von GNSS-A

Die Fähigkeit, die Bewegung von Platten am Meeresboden zu messen, ist nicht neu. Sie basiert auf der ursprünglich als GNSS-A-Technik bezeichneten Methode, die von Scripps, genauer gesagt von David Chadwell und Fred Spiess, entwickelt wurde.

„Die Kombination von GNSS-Positionierung und akustischen Messungen zur Verfolgung der Meeresbodenbewegung war eine clevere Idee – und sie hat funktioniert“, sagt Michelle Barnett, Ocean Science Business Development Manager bei Sonardyne.

„Doch die Kosten für den Einsatz bemannter Schiffe zur Positionierung waren unerschwinglich. Außerdem war es technisch anspruchsvoll.“

„Also, die Zusammenarbeit mit Scripps, in den frühen Jahren

In den 2010er Jahren entwickelten wir eine Kombination aus unseren langlebigen Fetch-Sensoren und einer handelsüblichen GNSS-A-Nutzlast für Wave Glider, die Vermessungsarbeiten zu deutlich geringeren Kosten als mit einem bemannten Schiff durchführen kann.“

Der USGS Wave Glider wurde nach einer erfolgreichen Vermessung an Bord des Forschungsschiffs North Wind geborgen. Bildnachweis: USGS

Das Warten lohnt sich, selbst wenn man auf das Wetter warten muss.

Die Technik ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Nachdem Ericksen und sein Team die Positionen der Transponder in der Subduktionszone der Aleuten erfasst hatten, waren sie natürlich sehr daran interessiert, die Daten zu sehen.

Aufgrund der beträchtlichen Datenmengen – wir sprechen von 25-30 GB pro Standort (bestehend aus drei Fetch-Daten) – werden vom USV nur Teilstichproben an Land zurückgeschickt, hauptsächlich zur Qualitätskontrolle.

Sie müssen also warten, bis das unbemannte Überwasserfahrzeug (USV) zurückkehrt – oder zurückgebracht wird. Die geringen Tageslichtstunden im alaskischen Winter (als die Chignik-Expedition durchgeführt wurde) bedeuteten eine eingeschränkte Stromversorgung für das USV.

In Verbindung mit schlechtem Wetter erwies sich die Koordination der Bergung als schwierig, sodass die Bergung des Wave Glider und das Auslesen der Daten vier Monate dauerten.

Dennoch hat sich das Warten gelohnt, und die Ergebnisse liefern uns tiefere Einblicke als je zuvor.

Mehr zu den Chignik-Daten finden Sie in ScienceAdvances Vol.9, Nr.17, Rapid shallow megathrust afterslip from the 2021 M8.2 Chignik Alaska earthquake revealed after seafloor geodesy .