Erdbeben im Rheinischen Schiefergebirge

1. Entstehung des Rheinischen Schiefergebirges

Das Rheinische Schiefergebirge, eine Struktur die in Zentral- bis Westdeutschland liegt, entstand im Devon vor über 360 Millionen Jahren. Damals wurden Ton- und Sandsteine am Grund eines Meeres abgelagert. Diese Sedimente wurden im Karbon vor 350 Millionen Jahren bei der variszischen Gebirgsbildung verfaltet und zu Tonschiefern und Quarziten metamorph umgewandelt. Das Gebirge erodierte anschließend vor 260 Millionen Jahren im Perm und wurde im Mesozoikum (vor 251 – 65 Millionen Jahren) von Sedimenten überlagert.

Im Tertiär setzte im Zuge der Alpiden Gebirgsbildung und der Entstehung des Europäischen Riftsystems die Herraushebung des Rheinischen Schiefergebirges ein. Seit 800.000 Jahren verstärkte sich diese Hebung und die Flüße schnitten sich in Form von tiefen Schluchten ein.

Heute wird das Schiefergebirge von folgenden tektonischen Strukturen begrenzt:

Im Süden zieht sich von Südwest nach Nordost die große Hunsrück-Taunus Südrandstörung, welche vorallem im Karbon aktiv war (Im folgendem Bild als violettfarbene Linie gekennzeichnet). Am Ostrand liegt der Grabenbruch der Hessischen Senke, dieser Graben stellt die nördliche Verlängerung des Oberrheingrabens dar und war bis in das Miozän aktiv. Das sich ändernde Spannungsfeld von Nordost - Südwest auf Nordwest - Südost beendete die Aktivität des Grabens der Hessischen Senke. Im Nordwesten schneidet der Graben der Niederrheinischen Bucht in das Schiefergebirge hinein, dieser ist über Störungen die durch das Schiefergebirge reichen mit dem Oberrheingraben verbunden. Im Zentrum des Schiefergebirges weiten sich diese Störungen zu dem kleinen Graben des Neuwieder Beckens.

2. Die Erdbebenzonen

Auf diesem Luftbild sind die Erdbeben von 2008 - 2010 eingetragen, flache Beben von 0-10 km erscheinen grün und tiefere Beben in 10-20 km gelb markiert. Es fällt auf, dass diese sich nicht homogen über das Bild verteilen, sondern an gewisse Zonen orientiert sind. Rot markiert sind Erdbeben die sich an Nordwest - Südost ausgerichteten Zonen orientieren. Weiss sind etwa Nord - Süd ausgerichtete Bebenzonen. Untergeordnet tritt auch eine Bebenzone auf, die Ost - West ausgerichtet ist (gelb). Die aufeinanderzeigenden, schwarzen Pfeile zeigt die Orientierung (Nordwest - Südost) der größten tektonischen Spannung an. In die weiße Richtung ist Extension möglich.

2.1 Das Neuwieder Becken

Die größte Erdbebendichte liegt am Westrand des Neuwieder Beckens. Dort findet sich im Vulkanfeld der Osteifel die Ochtendunger Störungszone. Alle paar Jahre kommt es dort zu einem Erdbeben der Magnitude 4 und fast täglich gibt es dort Mikrobeben, die von der langsamen aber stetigen Bewegung der Störungszone ausgehen. Das Bild zeigt die Bebenverteilung des Jahres 2010. Die Ochtendunger Störungszone beginnt östlich des Laacher Sees und zieht sich bis zur Mosel hin. Dann verteilen sich die Erdbeben diffuser. Die Ausrichtung dieser Zone ist genau parallel (Nordwest - Südost) zu dem maximalen tektonischen Druck der in Mitteleuropa herrscht. Infolgedessen dehnt sich die Kruste entlang dieser Störungszone in Richtung Nordost - Südwest aus.

Tief unter der Osteifel vermutet man, wahrscheinlich an der Kruste - Mantel Grenze, in diesem Bereich eine (kleine) Magmakammer, was aber weder gefährlich noch verwunderlich ist. Da die Osteifel als ein aktives, aber temporär ruhendes Vulkanfeld zu bezeichnen ist, sind magmatische Intrusionen an der Basis der Kruste sehr wahrscheinlich.

2.2 Das Mittelrheintal

Anknüpfend an die Ochtendunger Störungszone verteilen sich diffus über das Mittelrheintal bis zum Oberrheingraben viele Erdbebenherde. Man kann dennoch erkennen das die gleiche Ausrichtung wie zuvor bei der Ochtendunger Störungszone bestehen bleibt. Links dieser Nordwest - Südost angeordneten Erdbebenlinie erkennt man ebenfalls eine diffuse Zone die sich etwa Nord - Süd von der Osteifel bis in den Hunsrück zieht. Noch schwächer ist die Erdbebenzone ausgebildet die sich West - Ost von der Osteifel in den Westerwald hineinzieht.

2.3 Die Niederrheinische Bucht

Die meißten Erdbebenherde orientieren sich am Graben der Niederrheinischen Bucht. Dieser enstand gemeinsam mit dem Oberrheingraben im Eozän durch Ausgleichsbewegungen zwischen der Alpiden Deformationsfront und den ehemaligen Subduktionszonen des westlichen Mittelmeer. Der Graben ist seismisch sehr aktiv, da dieser im Moment genau zum Spannungsfeld ausgerichtet ist und somit Extension nach Nordost - Südwest erlaubt.

 

Seismologische Daten:
http://www.seismo.uni-koeln.de/

5 Jahre Magmatismus und Geodynamik Deutschlands...

... und über 40 Posts. Zeit einen kleinen Rückblick zu machen und einen Ausblick für die Zukunft zu geben
Wir behandelten... :

Intraplattenvulkane: Schlackenkegel, Maare, Dome, Tuffschlote
Vulkanfelder: Odenwald, Westeifel
Eruptionszentren: Laacher See, Wartgesberggruppe, Buerberg
Den Katzenbuckel: Teil 1, Teil 2, Teil 3
Große Einzelvulkane: Kaiserstuhl, Vogelsberg ( Teil 1, Teil 2, Teil 3, Teil 4 )
Basalte

...desweiteren schauten wir uns verschiedene tektonische Begebenheiten an:

Riftzonen: Oberrheingraben,
Antiklinalen
Hebung

Die jüngsten Einträge beschäftigten sich mit der alternativen Energiequelle Geothermie:

Geothermie in: Vulkanfeldern, Vulkankomplexen, Riftzonen

In Zukunft wird es auch wieder Berichte von Exkursionszielen geben sowie aktuelle News aus der Geowelt.

Geothermie in Deutschland Teil 2: "Geothermisches Potential der jungen Vulkankomplexe des Osteifel Vulkanfeldes."

Mein vorheriger Eintrag erklärte uns, dass unter kleinen Vulkanfeldern keine nennenswerte thermische Anomalien entstehen können, da die Magmenkammern in zu großen Tiefen liegen. Es gibt in der Osteifel jedoch drei Lokalitäten (Rieden-Caldera, Wehrer-Kessel und Laacher See-Caldera) an denen kleine Magmakammern bis in mindestens 6 km Tiefe aufgestiegen sind. Damit unterscheidet sich die Osteifel von einem "normalen" Vulkanfeld (z.B. Westeifel), was durch die Abwesenheit von oberflächennahen Magmenkammern charakterisiert ist.
Könnte vielleicht unter diesen drei größeren Vulkankomplexen das Gestein heiß genug für die Erschließung von Geothermie sein?

Die Abbildung zeigt nun einen Schnitt durch die oberen 10 km der Kruste mit einem Geotherm von 15°C pro Kilometer. An der Basis des Schnittes, befindet sich eine Magmakammer, die in ihrer Größe der des Laacher See Vulkans entspricht.

Der obere Teil in lila besteht aus dem eruptionsfähigen (phonolithischen-) Magma und umfasst ein Volumen von 6 km³. Die rote Basis ist eine mafische Lage die noch einmal 3 km³ umfasst und nicht eruptiert.

Direkt nach der massiven Eruption ist der Schlotbereich erhitzt und an der Oberfläche herrschen direkt unter dem Krater eine Temperatur von über 400°C! Die mafische Lage an der Basis der Magmakammer ist nicht eruptiert, da sie an magmatischen Gasen verarmt als kristallreiche, dichte Lage immobil bleibt.

Lassen wir nun das System abkühlen und die Zeit verstreichen bis das Modell das heutige Alter des Laacher See Vulkans erreicht hat.

Die mafische Lage an der Basis der Magmakammer ist nun erstarrt. Seismisch gibt es nun keinen Hinweis mehr auf eine Magmakammer. Der Schlotbereich ist jedoch noch sehr heiß.

Der Geotherm erreicht im Bereich des Kraters schon in 1.5 km Tiefe eine Temperatur von 150°C. Die für die Geothermie notwendigen Temperaturen sind dort also schon in geringen Tiefen verfügbar. Dies belegen auch die Quellen um den Laacher See, sie haben eine leicht erhöhte Temperatur von 20°C. Diese Temperatur wird im Modell in 1 km Tiefe erreicht und deckt sich also ganz gut mit den Beobachtungen. Als Nächstes betrachten wir den Fall, wenn das Modell das Alter des Wehr Vulkans von 150.000 Jahren erreicht.

 

Die Wärme der abkühlenden Magmakammer breitet sich konduktiv in das umgebende Gestein aus.

Die für die Geothermie erforderlichen 150°C werden nun in 4 km Tiefe erreicht. Als letztes untersuchen wir die älteste Caldera der Osteifel, dem Riedener Vulkankomplex. Dieser hatte vor über 300.000 Jahren seine letzte Eruption.

Die Magmakammer ist sichtlich kälter geworden und die Hitze ist weit in das umgebende Gestein gewandert.

Während die Magmakammer sich weiter abgekühlt hat wird die für die Geothermie nötige Temperatur nun in 4.5 km Tiefe erreicht.

Dieses Modell hat uns gezeigt, dass es in Vulkanfeldern mit oberflächennahen Magmenkammern in der Tat erschließenswerte Geothermiestandorte gibt. In allen drei Fällen aus der Osteifel, besonders am Laacher See, sollte eine schlotnahe Bohrung einen erhöhten Geotherm vorfinden. Das Problem bei diesem Modell ist, dass bei diesen drei Vulkanen, die ja Calderen sind, der Untergrund stark zerrüttet ist. Eine geothermische Erschließung währe wohl mit viel Aufwand verbunden. Ebenfalls lässt die Tatsache, dass diese drei Wärmeanomalien räumlich sehr begrenzt sind, die Attraktivität sinken.

Modelling Program:

Wohletz, K.H., 1999, KWare Heat3D software for multithreaded, 3-D,
heterogeneous heat flow simulation. Los Alamos National Laboratory Computer
Code LA-CC 99-27 (http://geodynamics.lanl.gov/Wohletz/Heat.htm), Los Alamos
New Mexico.

http://rapidshare.com/files/450922284/Magmakammercooling.avi
Das Video zeigt die Abkühlung der Magmakammer bis zum thermischen Gleichgewicht nach 3.5 Millionen Jahren.

Der Laacher See...

...entstand vor ca. 12000 Jahren bei dem stärksten Vulkanausbruch den Mitteleuropa in jüngster Zeit erlebt hat. Der Laacher See Vulkan liegt im Vulkanfeld der Osteifel was seit ca.500.000 Jahren aktiv ist. Ruhiger, effusiver Vulkanismus wechselte dort vielfach mit explosiven zerstörerischen Vulkanismus. Bis vor 100.000 Jahren entstanden im Gebiet des Laacher Sees viele Schlackenkegel mit großen Lavaströmen, diese Schlackenvulkane sieht man heute als markannte kegelförmige Berge(sofern sie nicht abgebaut wurden), welche auf Namen wie Wingertsberg, Korretsberg oder Bellenberg hören.-Zentral der Laacher See, rot markiert die älteren, umgebenden Vulkankegel-
Es folgte eine Pause in der vulkanischen Aktivität die 90.000 Jahre dauern sollte. Doch das feld war nicht erloschen, statt an die Oberfläche durchzubrechen sammelte sich das basanitische Ausgangsmagma(insgesamt 40km3) in einer großen krustalen Magmakammer an. Aus dem Basanit differenzierte sich ein phonolitisches Magma welches bis knapp an die Oberfläche stieg um sich dort an gas anzureichern. Aus dem fluiden basanitischen Ausgangsmagma war nun in mehreren Schritten ein zäher, gasreicher Phonolith geworden.-Ausbruch des Laacher See Vulkans, Bilderfolge 1-5 im Text beschrieben-
Das phonolithische Magma stieg gen Oberfläche(Bild 1) und kam mit Grundwasser in Berührung, mehrere Wasserdampfexplosionen schlugen einen Krater frei(Bild 2), das phonolithische Magma entgast nun so stark das aus dem Krater ein Jet aus Tephra und Bims mit Überschallgeschwindigkeit ausgeschossen wird(Bild 3). Dieser füttert eine Eruptionssäule die bis zu 40km in die Stratosphäre aufsteigt(diesen Ausbruchstyp nennt man "Plinianische Eruption" die Plinius der Jüngere am großen Vesuvausbruch vor 2000 Jahren beobachtete und beschrieb). Durch Winde kommen nun feine Aschelagen bis nach Italien und Skandinavien. Durch den heftigen Eruptionsdruck wird der Schlot rasch erodiert und breitet sich in die Tiefe aus, als der Gasdruck nachlässt stürzt er in sich zusammen und bildet die Caldera des Laacher See Vulkans(Bild 4). Ascheströme breiten sich in den Tälern um den Vulkan aus und füllen diese bis zu 50m dick aus. Insgesamt förderte der Vulkan 16km3 Bimstuff was etwa 6km3 Magma entspricht. Manche von den umgebenden Vulkankegeln wurden beim Einbruch des Schlotes in mehrere Teile zerbrochen, beim "Alte Burg" Vulkan ist zB die westliche Seite in den Schlot gebrochen während die östliche Seite noch ansteht und sichtbar ist. Seit dem Ende des Ausbruchs, der womöglich nur wenige Tage gedauert hat, fand nur wenig Erosion statt, womit die Morphologie des heutigen Laacher See Vulkans mit der nach dem Ende der Eruption übereinstimmt, jediglich ein großer, 50m tiefer See füllt den Einsturzkrater(Bild 5). Noch heute dringen am Ostufer der Caldera Kohlendioxid Bläschen an die Oberfläche. Diese stammen von der langsam abkühlenden Magmakammer in etwa 10km Tiefe.-Tuffe des Laacher See Vulkans im Aufschluss an der Wingertsbergwand-