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Ungewöhnlich tiefe Erdbeben geben Hinweise auf Bewegungen magmatischer Fluide unter dem Laacher See (Eifel, Rheinland-Pfalz)

Wissenschaftler des Erdbebendienstes Südwest (Verbund der Landeserdbebendienste von Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg), des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, des Karlsruher Instituts für Technologie und des Landeserdbebendienstes Nordrhein-Westfalen legen in einer gerade veröffentlichten Studie in der Fachzeitschrift Geophysical Journal International erstmalig seismologische Hinweise für schwache, magmatisch induzierte Erdbeben unter dem Laacher See Vulkan vor. Die hier festgestellten Erdbeben werden in großen Tiefen erzeugt und zeichnen sich durch ungewöhnlich niedrige Schwingfrequenzen aus (sogenannte „Deep Low-Frequency Earthquakes“). Es konnte festgestellt werden, dass diese Beben episodisch in zeitlich und räumlich eng begrenzten Gruppen auftreten und sich grob entlang einer Linie von 10 km bis 45 km Tiefe aufreihen. Dies wird als ein Aufsteigen von Fluiden und Magmen aus dem oberen Erdmantel in die mittlere und obere Erdkruste im Bereich des Laacher Sees interpretiert.

Durch einen umfangreichen Ausbau der seismologischen Messnetze in Rheinland-Pfalz und den angrenzenden Gebieten konnten im Jahr 2013 erstmalig tiefe und tieffrequente Erdbeben unter der Osteifel registriert werden. Die Magnituden (Stärke auf der Richterskala) dieser sogenannten „Deep Low-Frequency- (DLF-)“ Erdbeben sind unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsgrenze und die Schwingfrequenzen deutlich niedriger im Vergleich zu den regelmäßig in der Region nachgewiesenen tektonischen Erdbeben.

In den letzten fünf Jahren konnten insgesamt vier räumlich eng begrenzte Gruppen solcher DLF-Erdbeben in der Osteifel nachgewiesen werden. Sie decken einen Tiefenbereich zwischen 10 km und 45 km ab und erstrecken sich damit von der Erdkruste bis in den oberen Erdmantel. Die Beben-Gruppen sind vom Laacher See aus steil nach unten in Richtung Südosten abfallend angeordnet. Neben der räumlichen Trennung ist auch das zeitliche Auftreten der DLF-Erdbeben scharf begrenzt. Bisher konnten acht Episoden von DLF-Erdbeben zwischen 40 Sekunden und 8 Minuten Dauer beobachtet werden.

DLF-Erdbeben werden weltweit als Hinweis auf die Bewegung magmatischer Fluide in großer Tiefe gedeutet und regelmäßig unter aktiven Vulkanen, z.B. auf Island, in Japan oder Kamtschatka, beobachtet. Seit 2013 konnten DLF-Erdbeben unter dem Laacher See nur in größerer Tiefe und in geringer Anzahl (weniger als 100) nachgewiesen werden. Die Region wird weiterhin rund um die Uhr mithilfe moderner seismologischer Messnetze überwacht, die in den letzten Jahren kontinuierlich immer weiter ausgebaut wurden und werden.

Die Ergebnisse der Studie in der Osteifel liefern Anhaltspunkte, dass auch gegenwärtig unter dem Laacher See Vulkan magmatische Fluide aus dem oberen Erdmantel in die Erdkruste aufsteigen könnten. Dies kann als Anzeichen dafür gewertet werden, dass Magmenkammern in der Erdkruste unterhalb des Laacher Sees existieren und sich langsam füllen könnten. Die beobachteten DLF-Erdbeben werden jedoch nicht als unmittelbares Vorläufersignal einer aktuell bevorstehenden vulkanischen Aktivität gedeutet. Datierungen der beim letzten Ausbruch vor 12.900 Jahren geförderten Magmen zeigten, dass die Befüllung und Differenziation der oberen Magmenkammer unter dem Laacher See etwa 30.000 Jahre gedauert haben könnten, bevor es zum eigentlichen Ausbruch kam. Das bedeutet, dass die magmatischen Prozesse während sehr langer Zeiträume ablaufen können, bevor es zu einer Eruption kommt.

Da die technischen Voraussetzungen zur Detektion und Lokalisierung von DLF-Erdbeben in der Osteifel erst seit einigen Jahren eine ausreichende Qualität erreicht haben, lässt sich rückwirkend nicht feststellen, seit wann solche DLF-Erdbeben im Bereich des Laacher Sees auftreten. Es liegt nahe, dass es ähnliche Aktivitäten schon vor 2013 gab, diese jedoch nicht beobachtet wurden.

Um die Zusammenhänge zwischen den DLF-Erdbeben und möglicher magmatischer Aktivität unter der Osteifel besser untersuchen zu können, wird eine Intensivierung der geochemischen Überwachung zur Analyse austretender Gase sowie wiederholte geodätische Messungen zur Feststellung möglicher Deformationen der Erdoberfläche als sinnvoll erachtet. Ebenso sollten gezielte geophysikalische Untersuchungen zur Abbildung und Charakterisierung möglicher Magmareservoire unter der Laacher See Region durchgeführt werden.


Martin Hensch, Torsten Dahm, Joachim Ritter, Sebastian Heimann, Bernd Schmidt, Stefan Stange und Klaus Lehmann (2019): Deep low-frequency earthquakes reveal ongoing magmatic recharge beneath Laacher See Volcano (Eifel, Germany). – Geophysical Journal International (Oxford University Press), in press, https://doi.org/10.1093/gji/ggy532

Fakten und Hintergrundinformationen

(1) Was sind DLF-Erdbeben?

DLF steht für „deep low-frequency“, d.h. es handelt sich um tiefe und tieffrequente Erdbeben. Tief bedeutet in diesem Zusammenhang zwischen 10 km und bis über 40 km Tiefe, also in der Erdkruste bzw. unterhalb von etwa 30 km Tiefe im oberen Erdmantel. Tieffrequent bedeutet, dass die dominanten Schwingfrequenzen zwischen 1 Hz und 10 Hz liegen und damit deutlich niedriger als bei tektonischen Erdbeben vergleichbarer Stärke. Zudem dauern die Schwingungen oft deutlich länger an, in der Eifel wurden einzelne DLF-Erdbeben von bis zu 30 Sekunden Dauer beobachtet (gegenüber oft nur Bruchteilen von Sekunden für tektonische Erdbeben).

(2) Was unterscheidet die episodisch beobachteten DLF-Erdbeben von den tektonischen Erdbeben, die regelmäßig in der Osteifel auftreten?

In der Osteifel treten tektonische Erdbeben hauptsächlich entlang der Ochtendunger Störung auf, die das Neuwieder Becken nach Westen begrenzt. Die Ochtendunger Störung ist eine strukturgeologische Grenze, die wahrscheinlich nicht vulkanisch, sondern tektonisch entstanden ist. Die tektonischen Erdbeben sind in der Regel auf Tiefen oberhalb von 15 km beschränkt. Sie haben dominante Frequenzen von etwa 10 Hz und höher, und sie können bei stärkeren Ereignissen prinzipiell auch für Menschen spürbar sein.
DLF-Erdbeben unterscheiden sich vor allem durch ihre tieferen Frequenzen (ca. 1-10 Hz) von tektonischen Erdbeben. Zudem erreichen sie Tiefen bis über 40 km. DLF-Erdbeben sind sehr schwach (unterhalb von Magnitude 2 auf der Richterskala) und können nicht verspürt werden. Sie treten episodisch auf, wobei bis zu zehn einzelne Erdbeben in Zeiträumen zwischen 40 Sekunden und 8 Minuten beobachtet wurden. Die bisher bekannten DFL-Erdbeben ereigneten sich westlich der Ochtendunger Störung, ihre Tiefe fällt mit dem Abstand zum Laacher See steil nach Südosten ab. Die tiefsten Erdbeben in der Osteifel unterhalb von 40 km sind die tiefsten jemals in Deutschland gemessenen Erdbeben.
Zusammenfassend: DLF-Erdbeben reichen tiefer, sind schwächer und haben eine tiefere dominante Frequenz als die tektonischen Erdbeben in der Osteifel. Für Seismologen sind sie somit schnell und eindeutig als solche zu identifizieren.

(3) Warum werden die DLF-Erdbeben erst seit 2013 beobachtet?

Der Landeserdbebendienst Rheinland-Pfalz hat in den letzten Jahren sein seismisches Messnetzwerk insbesondere in der Osteifel stark ausgebaut und auf den aktuellen Stand der Technik gebracht. Seither sind die technischen Voraussetzungen gegeben, um kleinste Erdbeben – weit unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsgrenze – zu detektieren und zuverlässig zu lokalisieren. Es ist nicht möglich, Rückschlüsse auf die Aktivität vor dieser Zeit zu führen. Es wird aber als wahrscheinlich erachtet, dass es schon vor 2013 DLF-Erdbeben in den jetzt beobachteten vier Clustern gab, die jedoch nicht registriert werden konnten. Nach der ersten Beobachtung tiefer Erdbeben im Jahr 2013 wurde zusätzlich ein seismologisches Forschungsmessnetzwerk vom Karlsruher Institut für Technologie und dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Zusammenarbeit mit dem Verbund Erdbebendienst Südwest installiert (DEEP-TEE Projekt). Die gemeinsame Nutzung der seismischen Registrierungen erlaubt nun die detaillierte wissenschaftliche Analyse der seismischen Aktivität.

(4) Woraus kann geschlossen werden, dass die DLF-Erdbeben durch die Bewegung magmatischer Fluide verursacht werden und nicht durch tektonische Spannungen?

Seismizitätsstudien an vielen Vulkangebieten weltweit zeigen, dass DLF-Erdbeben durch Fluide im Festgestein verursacht werden. Diese Fluide können Wasser, Mag-men oder andere Volatile sein. Die tiefen Frequenzen werden dabei z.B. durch resonante Schwingungen in Gesteinsspalten erzeugt. Ein weiterer Mechanismus ist die Erweiterung bestehender Risse im Gesteinskörper, wenn sich Volatile ausbreiten. Hierzu gibt es auch numerische Simulationsrechnungen / Modellierungen, die diese Mechanismen bestätigen.
Die Herdtiefe der DLF-Erdbeben ist größer als es von tektonischen Erdbeben in der Eifel bekannt ist. Die tektonischen Erdbeben ereignen sich i.A. in der Oberkruste bis in ca. 15 km Tiefe. Die DLF-Erdbeben ereignen sich demgegenüber auch in der Unterkruste (ca. 15-30 km Tiefe) und im obersten Erdmantel (30-45 km Tiefe). Dort ist es sehr heiß und es werden keine tektonisch verursachten Erdbeben erwartet. Die tiefsten Erdbeben in der Osteifel unterhalb von 40 km sind die tiefsten jemals in Deutschland bestimmten Erdbeben.

(5) Wie wahrscheinlich ist ein Wiedererwachen des Vulkanismus am Laacher See bzw. in der Eifel?

Die Ergebnisse der jüngsten Studie bestätigen lediglich die schon bestehende wissenschaftliche Meinung: Der Vulkanismus am Laacher See bzw. in der Eifel ist nicht erloschen, er ist „langzeit-schlafend“. Ein erneutes Erwachen des Vulkanismus würde sich jedoch aller Erfahrung nach mit weiteren deutlichen Vorläufersignalen ankündigen. Der Aufstieg von Magma in die flache Erdkruste geht in aller Regel mit hochfrequenten Erdbebenschwärmen einher, die sich deutlich sowohl von DLF-Erdbeben, als auch von tektonischen Erdbeben unterscheiden. Eine solche Aktivität wurde in der Osteifel bislang nicht beobachtet. Außerdem fehlen Hinweise auf Hebungen der Erdoberfläche, die bei massiven Magmenaufstiegen deutlich beobachtbar sein müssten.

(6) Wie funktioniert die seismische Überwachung der Osteifel?
Die seismische Überwachung wurde in den letzten Jahren systematisch vom Landeserdbebendienst Rheinland-Pfalz und dem Karlsruher Institut für Technologie durch die Aufstellung zahlreicher Seismometer ausgebaut. Die rund um die Uhr erhobenen Daten werden in Echtzeit zum Erdbebendienst Südwest übertragen und dort ständig automatisch analysiert. Hierbei werden auch die Registrierungen an Messstationen der benachbarten Erdbebendienste berücksichtigt. Im Allgemeinen erfolgt im Anschluss an die automatische noch eine manuelle Auswertung durch eine Seismologin / einen Seismologen.

(7) Was sind die bisherigen Hinweise auf aufgeschmolzenes Gestein (Magmen) unter dem Laacher See?

Der Krater (Kaldera) des Laacher See Vulkans entstand bei einem großen Ausbruch vor etwa 12.900 Jahren. Mehrere Kubikkilometer Magma wurden damals aus einer Magmenkammer in 5 km bis 8 km Tiefe an die Oberfläche gefördert. Die Ascheablagerungen des explosiven Ausbruchs konnten sogar bis nach Südschweden und Norditalien nachgewiesen werden. Obwohl in der Osteifel während der letzten 450.000 Jahre durchschnittlich etwa alle 5.000 bis 10.000 Jahre Vulkaneruptionen auftraten, ist der aktuelle Aktivitätszustand unklar bzw. umstritten. Hinweise auf aktive magmatische Prozesse beschränkten sich bisher auf isotopenchemische Untersuchungen von CO2-Gasen, die an der Erdoberfläche entweichen. Diese Gasanalysen ließen die Existenz von mehreren Magmenkammern in größeren Tiefen, dem oberen Erdmantel, vermuten. Der obere Erdmantel beginnt in der Eifel unterhalb von etwa 30 km Tiefe, dort wird – großräumig verteilt – teilweise aufgeschmolzenes Gesteinsmaterial vermutet.

(8) Was ist der Erdbebendienst Südwest?

Die Erdbebentätigkeit in Deutschland konzentriert sich zu einem großen Teil in den Regionen entlang des Rheins und angrenzenden Gebieten. Als Nahtstelle Mitteleuropas stellen der Oberrheingraben, das Mittelrheingebiet und die Niederrheinische Bucht eine geologische Schwächezone dar, an der vermehrt Erdbeben auftreten.
Zentrale Einrichtungen zur Messung von Erdbeben in dieser Region sind die Landeserdbebendienste von Rheinland-Pfalz (Landesamt für Geologie und Bergbau in Mainz) und von Baden-Württemberg (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau im Regierungspräsidium Freiburg).
Aus der traditionell engen Kooperation dieser beiden Dienste ist Anfang 2011 per Vertrag der beiden Bundesländer der Verbund „Erdbebendienst Südwest“ entstanden. Ziel des Verbunds ist es, Ressourcen zu bündeln, um schnell und zuverlässig über Erdbeben in beiden Bundesländern informieren zu können. Zentrale Aufgaben sind die Übertragung, Auswertung, Qualitätssicherung und Archivierung der seismischen Messdaten, die schnelle Bereitstellung von Erdbebeninformationen, insbesondere die Erdbebenmeldung an die Lagezentren der beiden Landesinnenministerien in Mainz und Stuttgart, sowie eine wissenschaftliche Bearbeitung der Daten.
Während die technisch-wissenschaftliche Erfassung und Auswertung der seismologischen Daten im Erdbebendienst Südwest beim Landeserdbebendienst Baden-Württemberg in Freiburg konzentriert wurden, verbleiben die weiteren Aufgaben (z.B. Öffentlichkeitsarbeit, behördliche Belange und Projektarbeit) beim jeweils zuständigen Landesdienst.
(www.erdbebendienst-suedwest.de)