Ein ausgesetztes Piezometer des Ifremer vor der Küste Nizzas zur Untersuchung der Hangstabilität. Foto:  O. Dugornay, Ifremer

Visualisierung der Überwachung des Porenwasserdrucks durch einen Ifremer-Piezometer (A: Langzeitmodus, B: Kurzzeitiger Yoyo-Modus, C: autonomer Yoyo-Modus) Grafik: Ifremer

Fächerecholot-Bathymetriedaten mit den Standorten von vier Offshore-Piezometerstationen (Seamonice, PZA, PZB und PZC) und einem Onshore-Piezometer (PZ1). Grafik: Sultan et al., 2020

Messung des Porendrucks entlang einer Transformstörung. Die Übersichtskarte zeigt das Marmarameer und den Verlauf des nördlichen Strangs der Nordanatolischen Verwerfung. Grafik: Sultan et al.

Eine wichtige offene Frage in den marinen Geowissenschaften ist, wie sich der Druck der Porenflüssigkeit in marinen Sedimenten auf deren Deformation auswirkt. Dank der In-situ-Porendruckmessung, die in den letzten zwei Jahrzehnten eingesetzt wurde, konnten mehrere grundlegende wissenschaftliche Fragen geklärt werden: Welche Rolle spielen Druckschwankungen im Porenwasser bei der Dynamik von Gashydrat-Sedimentsystemen? Wie wirkt sich der Porendruck auf die Stabilität von Kontinentalhängen aus? Wie können Porendruckmessungen genutzt werden, um die Kriechaktivität entlang einer geologischen Verwerfung zu verstehen?

In-situ-Porendruckmessungen verbessern unser Verständnis der Dynamik von Gashydratsystemen
Obwohl Methanhydratvorkommen in den Ozeanen als weit verbreitet gelten, sind ihre Dynamik und die physikalischen Prozesse, die ihrer Entwicklung zugrunde liegen, kaum verstanden. Angesichts der Bedeutung von Methan als Treibhausgas stellt die Dynamik von Gashydraten und die damit verbundenen Methanemissionen in den Ozean, einen nicht zu vernachlässigenden Faktor für das globale Methanbudget in der Atmosphäre dar, da das Methan potenziell in die Atmosphäre gelangen kann. Die durch den Klimawandel bedingten Umweltveränderungen in der Arktis, die zu einem Temperatur- und Meeresspiegelanstieg führen, gelten als ein zusätzlicher Faktor, der die submarinen Methan- und Gashydratvorkommen und somit die Gasemissionen stark beeinflusst. Mehrjährige hydroakustische Untersuchungen vor West-Spitzbergen haben ergeben, dass saisonale Schwankungen der Wassertemperaturen die räumliche Ausbreitung von Methanaustritten steuern können. Unser Verständnis des Phänomens der Gasemissionen in der Arktis ist jedoch unvollständig, insbesondere in großen Wassertiefen, wo der Zugang schwierig ist und hydroakustische Untersuchungen nur selten durchgeführt werden.

Submarine Grundwasseraustritte beeinflussen die Stabilität von Küstenhängen
Die Küstengebiete rund um das Mittelmeer sind großen Naturgefahren ausgesetzt. Hierzu zählen Erdbeben, Hangrutschungen, Vulkanausbrüche und Tsunamis. Die marine Hangrutschung von 1979 am Flughafen von Nizza (Südostfrankreich) ist das jüngste Ereignis, das massive Schäden verursacht hat und einen Tsunami auslöste. Die Untersuchung Hangstabilität vor dieser Küste ist besonders wichtig, da die Stadt Nizza eines der wichtigsten Wirtschaftszentren Frankreichs ist und dort eine halbe Million Menschen leben und sie jährlich von Millionen Touristen besucht wird. Seltene in-situ-Porendruck- und Temperaturdatensätze, die über mehr als ein Jahrzehnt gesammelt wurden, haben wir verwendet, um den vorübergehenden Grundwasseraustausch zwischen einem küstennahen Grundwasserleiter an Land und mit dem unter dem Schelf zu charakterisieren. Mit Hilfe der Porendruck- und Temperaturdaten ist es gelungen, die allgemeinen Transportmechanismen des Porenwassers zu beschreiben und zu zeigen, dass der Porendruckaufbau unter dem Schelf hauptsächlich durch Diffusion beeinflusst wird. Basierend auf den gewonnenen Porendruckdaten zeigen Berechnungen zur Hangstabilität, dass der Grundwasseraustausch einen großen Einfluss auf die Hanginstabilität und die Entwicklung von Störzonen in diesem erdbebengefährdeten Gebiet hat. Selbst geringfügige erdbebenbedingte Bodenbeschleunigungen können hier die Hanginstabilität erheblich herabsetzen.

In-situ-Porendruckmessungen deuten auf eine starke Kopplung zwischen dem Kriechen des Meeresbodens entlang einer Verwerfung und dem Auftreten von Erdbeben hin

Die Tatsache, dass tektonische Platten entlang der Plattengrenzen abschnittsweise langsam und episodisch gleiten können, ist eine der faszinierendsten und unerklärlichsten Beobachtungen der Geophysik der festen Erde. Die westlichen Abschnitte der Marmara-Hauptverwerfung (Main Marmara Fault, MMF) sind im Vergleich zu den östlichen Abschnitten durch eine höhere Hintergrundseismizität gekennzeichnet. Entlang eines Abschnitts der Marmara-Verwerfung, der durch aktive Sickerquellen von einem aktiven Schlammvulkan gekennzeichnet ist, konnten wir mit Unterwasser-Entfernungsmessungen aseismische Kriechraten von 9 bis 16 Millimeter pro Jahr gemessen. Diese Unterwasserdeformationsmessungen haben wir mit Porendruckmessungen und  geodätischen Daten  von Landstationen ausgewertet, um die Kopplung von Porendruck und Deformation während eines 10-monatigen Kriech-Ereignisses zu analysieren. Wir zeigen, dass Porendruckschwankungen Ausdruck eines hydro-mechanischen Prozesses sind, der die tiefe seismogene Zone beeinflusst. Diese Beobachtungen belegen die Rolle der Scherausdehnung bei der Regulierung tektonischer Ereignisse, die zur  Reaktivierung des benachbarten Schlammvulkans führen.

Fazit
Diese Beispiele zeigen die wichtige Rolle des Porendrucks für einige der wichtigsten aktiven geologischen Prozesse (Gashydratdynamik, Hanginstabilität und Verwerfungsaktivitäten) und seinen Einfluss auf den Meeresboden und die Wassersäule. Es zeichnet sich ab, dass Porendruckmessungen auch für das Verständnis und die Charakterisierung von Strömungsänderungen und die Durchmischung der Wassersäule wichtig werden, da sich diese Signale durch das quasi-inkompressible Meerwasser ausbreiten können. Daher sind genaue Druckmessungen in der Wassersäule von grundlegender Bedeutung für eine bessere Charakterisierung geologischer Prozesse im Untergrund.

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