In den letzten Jahren hat sich der Vulkankomplex der Phlegräischen Felder, der sich unter der italienischen Metropole Neapel erstreckt und eine Bevölkerung von etwa 900.000 Menschen beherbergt, zunehmend in den Fokus der wissenschaftlichen Gemeinschaft gerückt. Seit 2005 ist eine signifikante Bodenhebung zu beobachten, die von einer Zunahme kleiner Erdbeben begleitet wird. Diese Entwicklung wirft Fragen zur Sicherheit und Gefährdung der Region auf, die durch ihre hohe Bevölkerungsdichte besonders anfällig für die Folgen vulkanischer und seismischer Aktivitäten ist.
Historisch gesehen sind Phasen von Bodenhebung und -senkung in diesem Gebiet seit über einem Jahrtausend dokumentiert. Trotzdem bleibt der genaue Zusammenhang zwischen diesen Hebungen und der damit verbundenen Erdbebenaktivität ein Rätsel, das Wissenschaftler weiterhin zu entschlüsseln versuchen. Eine neue Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Communications Earth and Environment, beschreibt einen innovativen Ansatz, der dabei helfen könnte, diese komplexen Erdbebenmuster zu modellieren. Die Forscher, angeführt von PD Dr. Sebastian Hainzl vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, kombinieren zwei unterschiedliche Modellierungsansätze, um sowohl die langfristige Entwicklung als auch die kurzfristigen Erdbebenereignisse in der Region zu erklären.
Der Vulkankomplex der Phlegräischen Felder ist geprägt von einem komplexen magmatischen System, das in der Erdkruste und im oberen Erdmantel angesiedelt ist. Über Jahrhunderte hinweg haben magmatische und hydrothermale Prozesse wiederholt Phasen von Bodenhebung und -senkung ausgelöst, die oft mit erhöhter seismischer Aktivität einhergehen. Diese Zyklen können in seltenen Fällen sogar in Vulkanausbrüche münden, wodurch neue geologische Strukturen entstehen. Die letzte nennenswerte Eruption fand 1538 statt. Seit 2005 jedoch ist die Bodenhebung um mehr als einen Meter angestiegen, und die Anzahl der flachen Erdbeben hat stark zugenommen, was in der Region Besorgnis auslöst.
In der aktuellen Studie analysieren die Wissenschaftler die Ursachen für die spezifischen Muster der Seismizität in den Phlegräischen Feldern. Sie stützen sich dabei auf umfangreiche Daten aus Erdbebenkatalogen und Langzeitmessungen der Bodenverformung, die seit 1905 durchgeführt werden. Um die Mechanismen hinter den beobachteten Phänomenen zu verstehen, haben die Forscher verschiedene Modellierungsansätze verglichen und miteinander kombiniert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Erdbebenaktivität eng mit der Bodenhebung verknüpft ist, wobei die Bebenrate jedoch nicht linear zur Hebungsrate verläuft. Seit 2005 zeigt die Erdbebenaktivität eine beschleunigte und nichtlineare Reaktion auf die Hebung.
Die Studie führt diesen nichtlinearen Zusammenhang auf das Reibungs- und Bruchverhalten von Gesteinen zurück, das im Labor erforscht wurde. Hier kommt das sogenannte RS-Modell (Rate-and-State-Modell) zum Einsatz, das die zeitabhängige Hintergrundrate von Erdbeben beschreibt. Die Forscher konnten außerdem zeigen, dass die beobachteten Erdbebenschwärme durch Wechselwirkungen zwischen einzelnen Erdbebenereignissen erklärbar sind, was auf ein komplexes Zusammenspiel von Spannungen in der Erdkruste hindeutet.
Ein zentraler Bestandteil der Untersuchung ist die Kombination der langfristigen Modellierung mit einem Erdbebeninteraktionsmodell, das auf dem Epidemic-Type Aftershock Sequence Modell (ETAS) basiert. Diese innovative Herangehensweise ermöglicht nicht nur, die langfristige Aktivität der größeren Erdbeben zu modellieren, sondern auch detaillierte Vorhersagen über kurzfristige Erdbebenereignisse zu treffen.
Die Ergebnisse der Studie sind vielversprechend und bieten ein neues Werkzeug, um die seismische Gefährdung in den Phlegräischen Feldern besser einzuschätzen. Die Forscher haben probabilistische Vorhersagen entwickelt, die auf historischen Daten basieren und die Wahrscheinlichkeit sowie die maximalen Magnituden zukünftiger Erdbeben in den kommenden Wochen und Monaten vorhersagen können. Dies könnte nicht nur für die Region um Neapel von Bedeutung sein, sondern auch für andere vulkanisch aktive Gebiete weltweit.
Diese Fortschritte in der Modellierung der Erdbebenaktivität stellen einen bedeutenden Schritt in der Geowissenschaft dar und könnten dazu beitragen, das Verständnis von vulkanischen und seismischen Risiken zu verbessern und somit effektivere Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung zu entwickeln.
