Event deposits archived in the geologic record of the hadal Japan Trench
Year: 2020
Type: dissertation
Abstract: Um Langzeitaufnahmen von vergangen Erdbeben zu erhalten, werden submarine paläoseismologische Untersuchungen durchgeführt. Für solche Untersuchungen ist es essentiell den Einfluss von starken Erdbeben auf die submarine Umwelt zu verstehen. Dafür werden unter anderem Eventablagerungen (z.B. Turbidite) identifiziert, datiert und stratigraphisch über weite Gebiete korreliert. Damit kann getestet werden, ob gravitative Massenbewegungen zeitgleich stattgefunden haben. In dieser Arbeit werden, anhand von Eventablagerungen in sedimentären Abfolgen entlang des japanischen Tiefseegrabens, Remobilisationsprozesse sowie Ablagerung von Sediment und organischem Kohlenstoff analysiert und quantifiziert. Um dies durchzuführen, wird der Einfluss von dem gut dokumentierten und beobachteten 2011 Moment Magnitude (Mw) 9 Tohoku-oki Erdbeben auf die sedimentären Abfolgen im japanischen Tiefseegraben genau analysiert und als Kalibration für ältere Eventablagerungen verwendet. Zusammen mit früheren Studien können auf diese Weise paläoseismische Aufzeichnungen über die letzten 2000 Jahre entlang des gesamten Japangrabens ermittelt werden und Remobilisationprozesse sowie Herkunftsgebiet, Transfer und Ablagerung von Kohlenstoff abgeschätzt werden.Es wurde angenommen, dass das 2011 Tohoku-oki Erdbeben nur sehr feines, organikreiches, und oberflächiges Sediment vom Hang remobilisierte und in den Japangraben verfrachtete. Diese Hypothese sowie der Einfluss des Erdbebens auf den Kohlenstoffkreislauf konnten allerdings mangels Daten in den tiefen Becken (>7 km tief) nicht bestätigt werden. In dieser Arbeit werden die Ablagerungen des 2011 Tohoku-oki Erdbebens im japanischen Tiefseegraben mittels hochauflösenden bathymetrischen Karten, Profildaten vom Meeresboden und Sedimentkernen kartiert. Die Daten stammen von verschiedenen Forschungsexpeditionen aus den Jahren 2012-2016. Basierend auf diesen Daten kann ein Sedimentvolumen von 0.2 km3 quantifiziert werden, das von jungem, organikreichem, oberflächigem Sediment stammt. Mittels Sedimentvolumen und organischem Kohlenstoffgehalt in dem Sediment kann ein Betrag von >1 Mt (109 kg) organischem Kohlenstoff errechnet werden, der durch das 2011 Tohoku-oki Erdbeben in den Japangraben verfrachtet wurde.Um die eventstratigraphische Korrelation zu verbessern, müssen charakteristische Eigenschaften der einzelnen Eventablagerungen sowie des hemipelagischen Hintergrundsediments ermittelt werden. Dies geschieht meist mittels Lithostratigraphie, Biostratigraphie, physikalischen Eigenschaften des Sediments und Röntgenfluoreszenz. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal in der Paläoseismologie eine Vorgehensweise entwickelt, die auf multivariater Statistik von Röntgenfluoreszenz-, magnetischer Suszeptibilitäts-, und Dichtedaten basiert. Das statistische Vorgehen erlaubt die bisherige visuelle und lithostratigraphische Korrelation in zwei Becken im zentralen Japangraben zu bestätigen und weiter zu verbessern. Mit diesen neuen Daten, zusammen mit Radiokarbondaten von früheren Studien, wird ein Erosionsmodell erstellt, welches erlaubt Sedimentremobilisationsprozesse von früheren Erdbeben zu untersuchen. Resultate zeigen, dass durch ältere starke Erdbeben keine mächtigen submarinen Erdrutsche verursacht wurden, sondern ebenfalls eher relativ junges, oberflächiges Sediment remobilisert und in den Tiefseegraben verfrachtet wurde. Es wird allerdings angenommen, dass Remobilisationprozesse sowie die geochemischen, physikalischen und petrographischen Eigenschaften der resultierenden Ablagerungen durch oberflächennahe Tephra auf dem Hang beeinflusst werden.Analysen und Korrelationen von Eventablagerungen über die gesamte Grabenlänge können wichtige Informationen zum seismischen Gefahrenpotenzial einer Subduktionzone beinhalten. Deshalb wird in dieser Arbeit der gesamte Japangraben von 36.0-40.5 N mittels hochauflösender Bathymetrie, Profildaten vom Meeresboden und Sedimentkernen untersucht. Basierend auf diesen Daten können zirka 40 isolierte Becken identifiziert werden, die insgesamt 115 Eventablagerungen beinhalten. Mittels neuen Radiokarbondatierungen von organischem Kohlenstoff und existierenden Altersmodellen können die akustisch-transparenten Eventablagerungen mit starken, historischen Erdbeben korreliert werden (z.B., AD 2011 Mw 9.0-9.1 Tohoku-oki, AD 1454 Mw 8.4 Kyotoku, and AD 869 Mw 8.6 Jogan Erdbeben). Volumenberechnungen der einzelnen Eventablagerungen zeigen zudem, dass sich die Ablagerungsvolumen der verschiedenen historischen Erdbeben stark voneinander unterscheiden. Während den vergangenen 2000 Jahren wurden durch seismische Events mindestens 7 Mt (7*109 kg) organischer Kohlenstoff in den japanischen Tiefseegraben verfrachtet.Zudem wird der Einfluss von den submarinen Canyons auf Sediment- und Kohlenstofftransfer in den Japangraben analysiert und potentielle Auslösemechanismen der Sedimentverfrachtungen werden anhand des Herkunftsgebietes des organischen Kohlenstoffs diskutiert. Die Daten zeigen, dass sich entlang des japanischen Tiefseegrabens hauptsächlich mariner organischer Kohlenstoff ablagert und dass durch die Canyon-Systeme kein effizienter Transfer von terrestrischem organischem Kohlenstoff stattfindet. Diese Resultate bestätigen die früheren Beobachtungen im Japangraben; die Eventablagerungen stammen hauptsächlich vom submarinen Hang und wurden durch Erdbeben verursacht. Zusätzliche Radiokarbonanalysen an organischem Kohlenstoff erlauben zudem die stratigraphischen Altersmodelle im Japangraben zu verbessern. Der Vergleich von organischen Kohlenstoffdaten aus dem Japangraben mit organischen Kohlenstoffdaten aus anderen Tiefseegräben von früheren Studien zeigt, dass Herkunftsgebiet, Transfer und Ablagerung von organischem Kohlenstoff in Tiefseegräben nicht verallgemeinert werden sollte.Daten und Resultate dieser Arbeit bestätigen, dass sich der Japangraben für paläoseismologische Untersuchungen eignet. Zudem zeigt die Arbeit neue Sichtweisen auf Transportprozesse im Hadal während seismischen Events und hilft die Kontinuität der erdbebenausgelösten Turbidite zu ermitteln. Des Weiteren hebt die Arbeit den Einfluss von Erdbeben auf den Transfer und die Ablagerung von Kohlenstoff hervor.
Author: Tobias Schwestermann
Language: English
Subfield: Geophysics
Field: Earth and Planetary Sciences
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3117550800