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Projekt A1: Die seismische Struktur der Rwenzori-Region, abgeleitet aus der Untersuchung von lokal und teleseismisch registrierten Erdbeben

Um die Struktur von Kruste und oberem Erdmantel zusammen mit lokaler und regionaler seismischer Aktivität zu untersuchen, wurde zwischen Mai 2006 und Ende September 2007 ein temporäres Netzwerk von bis zu 27 seismischen Stationen betrieben, die sich über ein Gebiet von etwa 80 x 140 km2 verteilten (Abbildung 1, weiße Dreiecke). Die Stationen bestanden jeweils aus einem seismischen Sensor (Seismometer), einer Stromversorgung, bestehend aus Batterie und Solarkollektor, sowie einem Datenlogger (Abbildung 2). Üblicherweise wurden die Geräte in einem Raum installiert, der für die Dauer der Registrierungen bei Ortsansässigen angemietet wurde. Aufgrund ungünstiger Bedingungen war es allerdings zur Gewährleistung eines sichereren Betriebes oftmals notwendig, eigene Stationshütten (Abbildungen 3a und 3b) bauen zu lassen.

 

 

 

Abb. 1: Verteilung der seismischen Stationen (weiße Dreiecke) und die lokale Seismizität von Mai 2006 bis September 2007 (farbige Punkte). Unterschiedliche Farben stehen für unterschiedliche Herdtiefen (siehe Legende).

 

 

 

Abb. 2: Bestandteile einer seismischen Station: Sensor, Batterien und Datenlogger (von links nach rechts).

 

 

 

Abb. 3a und 3b: Errichtung einer Stationshütte aus gebrannten Ziegelsteinen.

 

 

 

Lokale Seismizität

Die Analyse der registrierten Daten ergab eine unerwartet hohe mikroseismische Aktivität in der Region (Abbildung 1). Im Durchschnitt konnten während der Aufzeichnungsperiode mehr als 800 Ereignisse pro Monat lokalisiert werden, mit lokalen Magnituden im Bereich von -0,5 bis zu 5,1 in einigen Fällen. Überraschenderweise befinden sich nur wenige Erdbeben innerhalb des Rwenzori-Massivs. Die meisten der Ereignisse fanden östlich und westlich des Gebirges mit einer deutlichen Konzentration der Aktivität in ca. 15 km Tiefe statt. Vertikale Profile, die die nördlichen Bereiche der Rwenzoris überqueren, zeigen, dass westlich des Gebirges (in Richtung des Riftgrabens) die Herde in Tiefen zwischen 10 und 20 km liegen, während sie auf der östlichen Seite (unter der Riftschulter) bis in 30 km Tiefe reichen. Diese Beobachtung stimmt gut mit teleseismischen Receiver Function-Analysen überein, mit deren Hilfe berechnet werden kann, in welcher Tiefe sich der Übergang von Erdkruste zu Erdmantel befindet (Mohorovicic Diskontinuität). Die Ergebnisse zeigen, dass die "Moho" im Westen bei etwa 21 km liegt, östlich der Rwenzoris dagegen in einer Tiefe von ca. 30 km (siehe weiter unten). Damit kann belegt werden, dass die überwiegende Mehrheit der registrierten lokalen Ereignisse innerhalb der Erdkruste stattfindet.
Mittels P-Wellen-Polaritäten konnten die Herdflächenlösungen von zahlreichen lokalen Beben bestimmt werden, (Abbildung 4). Über 75% der abgeleiteten Herdmechanismen sind Abschiebungen, deren Streichrichtungen mehr oder weniger parallel zur Riftachse orientiert sind und deren horizontale Dehnungsrichtungen senkrecht dazu verlaufen. Nur wenige Bebenherde zeigen deutliche Aufschiebungs- oder Blattverschiebungs-Mechanismen.

 

 

Abb. 4: Herdflächenlösungen von etwa 70 Ereignissen. Die Mehrheit der Bebenherde zeigt Abschiebungen mit Streichrichtungen mehr oder weniger parallel zur Riftachse.

 

 

 

Tomographie

Um die 3D-Geschwindigkeitsstruktur der Kruste und des oberen Mantels unter den Rwenzoris bis zu einer Tiefe von etwa 100 km aufzulösen, wurde eine tomographische Methode angewendet, die lokale und teleseismische P-Wellen-Laufzeiten kombiniert. Die Ergebnisse basieren auf 2053 lokalen und 284 teleseismischen Erdbeben, die von unserem Netzwerk registriert worden sind.
Generell beobachten wir hohe seismische Geschwindigkeiten unter der östlichen Riftschulter und geringere Geschwindigkeiten unter dem Gebirgszug. Eine starke negative Anomalie tritt im Nordwesten in der Nähe der Buranga Hot Springs auf. Am südlichen Ende der Rwenzoris beobachten wir eine Zone niedriger Geschwindigkeiten in der Erdkruste sowie eine ausgedehnte Region reduzierter seismischer Geschwindigkeiten, die mit der sedimentären Überdeckung in Verbindung stehen könnte. Des Weiteren gibt es Belege für eine tiefer liegende negative Anomalie im zentralen östlichen Teil der Region, die vermutlich mit Schmelzen zusammenhängt, die aus dem oberen Erdmantel aufsteigen.

 

Receiver Function-Analyse

Teleseismische Ereignisse wurden mittels der Receiver Function-Methode untersucht. Diese Technik ermöglicht die Identifizierung von Diskontinuitäten in der Geschwindigkeitsstruktur innerhalb der Erde. Abbildung 5 stellt eine Karte mit entsprechend abgeleiteten Moho-Tiefen dar: Unter der östlichen Riftschulter zeigt die Kruste eine eher einfache Struktur mit Moho-Tiefen von etwa 30 km. Der Rwenzori-Gebirgszug ist hingegen durch eine komplexe innere Krustenstruktur charakterisiert. Unterschiedliche Methoden wurden angewendet um die Moho-Tiefe zu bestimmen, wobei Belege für Krustenausdünnung unter dem Rwenzori-Gebirge geliefert wurden. In diesem Gebiet liegen die abgeleiteten Moho-Tiefen zwischen 28 und 21 km. Unsere Untersuchungen zeigen somit, dass unter dem Rwenzori-Block keine Krustenwurzel vorhanden ist. Unter den Becken von Lake Edward und Lake George wurde in 15 km Tiefe die Oberkante einer Schicht mit signifikant reduzierter S-Wellengeschwindigkeit entdeckt. Diese Schicht niedriger Geschwindigkeiten kann auf die Anwesenheit partieller Schmelzen unter einer Region mit rezenter vulkanischer Aktivität zurückgeführt werden.

 

 

Abb. 5: Krustenmächtigkeiten, abgeleitet mittels Receiver Function-Analyse. Die Moho-Tiefen unter der östlichen Riftschulter sind größer als 30 km. Unter dem Rwenzori-Gebirge sind sie nur etwas tiefer als 20 km.

 

 

Das neue Stationsnetz

Um die räumliche Auflöung unserer Untersuchungen zu verbessern und das Beobachtungsgebiet südlich und westlich der Rwenzori-Region zu erweitern, wurde ein neues, temporäres seismisches Netzwerk installiert (Abbildung 6). Es ist seit Oktober 2009 in Betrieb und besteht aus 32 seismischen Stationen, die mit Breitband-Sensoren ausgerüstet sind. Zehn der Stationen sind westlich der Rwenzoris in der Demokratischen Republik Kongo aufgestellt.

 

 

Abb. 6: Das aktuelle seismische Netzwerk im Rwenzori-Gebiet. Die Stationen wurden im Oktober 2009 installiert. Unterschiedliche Farben weisen auf unterschiedliche Instrumenttypen hin.