Die Heidenrod-Sequenz: Erdbebenschwärme durch magmatische Fluide?

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Fünf Jahre, Hunderte Erdbeben und ein Taunus-Ort, der (fast) nichts davon merkt. Seit 2018 ist die Gemeinde Heidenrod rund 50 Kilometer westlich von Frankfurt am Main nicht mehr von der deutschen Erdbebenkarte wegzudenken. Alle paar Wochen werden unterhalb ihrer vielen Ortsteile Mikrobeben registriert. Teils mehrere Hundert an einem Tag, dann wieder wochenlang Nichts. Eine Serie aus Erdbebenschwärmen, zeitlich und räumlich weit gestreut, die Ihresgleichen sucht.
Wie kommt es, dass im Nordwesten von Hessen über Jahre so oft die Erde bebt? Mehrere Eigenschaften der Erdbeben deuten auf einen geologischen Prozess in 20 Kilometern Tiefe hin, möglicherweise infolge magmatischer Aktivität.

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Als am Morgen des 22. Januars 2018 eine neue Woche startete, dürfte keiner der 8000 Bewohner von Heidenrod geahnt haben, dass sie gleich den (bisherigen) Höhepunkt einer jahrelangen Erdbebenserie erleben werden. Zwei leichte Erdbeben, erst Magnitude 2.6, gefolgt von Magnitude 2.3, 17 km Tiefe, um 8:20 Uhr und 8:36 Uhr haben bei einigen Menschen im Ort die Montagsroutine gestört. Ein Grollen, ein leichtes Klappern von Gegenständen. 16 Minuten später nochmal. Das war es dann auch schon. Zumindest in der Wahrnehmung. Was die Menschen an der Grenze zu Rheinland-Pfalz nicht mehr merkten: Noch am selben und in den folgenden Tagen sollten dutzende weitere Erdbeben aufgezeichnet werden. So wie, unbemerkt von der Bevölkerung, bereits in den Wochen zuvor. (Homuth 2020)

Ein klappernder Kachelofen

Um 08:35 saß ich im Wohnzimmer schräg gegenüber von unserem Kachelofen, als ich ein Klappern der Kachelofentür und ein Grollen ähnlich eines Fliegers wahrnahm.

– Zeugenmeldung aus Heidenrod am 22. Januar 2018

Die beiden spürbaren Erdbeben am 22. Januar 2018 waren die bis heute stärksten Erdbeben der Heidenrod-Sequenz. Es sollte fast 55 Monate dauern, bis überhaupt wieder Magnitude 2 überschritten wird. Am Morgen des 17. August 2022 war es soweit: Magnitude 2.2, gefolgt von M1.9 wenige Stunden später. 12 km tief. Für spürbare Erschütterungen hat es hier nach vorliegenden Daten nicht gereicht, weder in Heidenrod noch im angrenzenden Welterod. Auf dem ersten Blick erscheinen die Erdbeben von 2018 und August 2022 ähnlich: 500 Meter auseinander, ähnlich stark und als „Doppelerdbeben“ augenscheinlich. Doch zwischen beiden Ereignissen liegen fünf Jahre Erdbeben-Evolution.

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ShakeMap Heidenrod
ShakeMap des Heidenrod-Erdbebens (M2.6) im Januar 2018. Schwache Erschütterungen wurden relativ weiträumig ums Epizentrum verspürt. Wegen der geringen Intensität haben aber nur wenige Anwohner tatsächlich etwas bemerkt.

Betrachtet man diese fünf Jahre räumlich und im geologischen Kontext, wird aus 500 Metern eine lange Reise. Begonnen hat die Erdbebenaktivität im Januar 2018 an der Grenze von Heidenrod und Welterod (RLP). Ein (oder mehrere?) Cluster von dutzenden Mikrobeben erstreckt sich in Nordwest-Südost-Richtung über mehrere Kilometer. Die Tiefen liegen zwischen 17 und 20 Kilometern. Was zunächst wie eine begrenzte Vorbeben-Hauptbeben-Nachbeben-Serie aussah, breitete sich in alle Richtungen aus. Auffällig vor allem die Ausdehnung nach Südosten, parallel zu bekannten tektonischen Störungen (blaue Linien in der Karte) und die zunehmende Neigung zu schwarmartiger Organisation mit teils mehreren Beben pro Minute. Auch wenn es bis zu diesem Punkt keine stetige Migration war, lagen die jüngsten Beben gen Südost im Juni 2022 rund 5 Kilometer vom Ursprung entfernt – und acht Kilometer näher an der Erdoberfläche.

Erdbebenschwärme breiten sich aus

Nach Norden hin ist die Verteilung der Erdbeben breiter, aber geclustert. Mehrere dieser Erdbebengruppen bildeten sich im Laufe der Zeit aus, unter anderem nahe der Heidenroder Ortsteile Niedermellingen und Grebenroth. Auf rheinland-pfälzischer Seite sind keine wirklichen Cluster erkennbar. Stattdessen ist die Verteilung der Epizentren eher diffus. Richtung Nastätten ist aber auch hier eine Orientierung parallel zu bekannten Störungen zu erahnen.
Und die Erdbeben am 17. August: In ihren Tiefenbereich relativ isoliert am Ostrand des Ausgangsclusters.

Seit fünf Jahren ploppen also in der gesamten Region immer wieder kleinere Erdbebenschwärme auf. Teils sind Muster erkennbar, teils wirkt ihr Erscheinen willkürlich. Ähnlichkeiten zu den Erdbebenschwärmen im Vogtland werden deutlich, auch wenn die Heidenrod-Cluster bisher nicht im Ansatz dieses Ausmaß erreicht haben. Entscheidender Unterschied auch: Mit dem tiefen Cluster 2018 ist ein klarer Ausgangspunkt vorhanden.

Erdbeben in Heidenrod seit 2018
Registrierte Erdbeben im westlichen Taunus seit 2018. Kleine Erdbeben unter Magnitude 1 sind nur unvollständig erfasst. Die Größe der Kreise entspricht der Stärke der Erdbeben, die Farbe der Tiefe. Blaue Linien markieren den Verlauf bekannter tektonischer Störungen an der Oberfläche. In der Tiefe kann der Verlauf abweichen. Ausgehend vom ersten Erdbebencluster 2018 in größerer Tiefe (blaue Kreise) haben sich die Erdbeben später in geringere Tiefen ausgebreitet: Zum Einen parallel zu bekannten Störungen Richtung Südost und Nordwest, zum Anderen diffus in nördliche Richtung, wo es seit 2020 mehrere neue Cluster gibt. Die Erdbeben im August 2022 ereigneten sich unmittelbar östlich und oberhalb des ursprünglichen Clusters, wahrscheinlich an derselben Störung. Epizentren und Störungen als interaktive Karte hier.

Fluide lösen Erdbebenschwärme aus

Ein Ausgangspunkt, an dem im Januar 2018 etwas passiert sein muss, das sich seitdem entlang vorhandener Störungen, aber möglicherweise auch neuen Rissen im Gestein ausbreitet. In der Regel sind Erdbebenschwärme die Folge von Fluidbewegung. Wasser und Gase, die natürlich in der Erdkruste vorkommen, geraten unter Druck und brechen sich einen Weg durchs Gestein frei. Dabei führen sie zu Spannungsänderungen in Störungszonen, wirken quasi wie ein Schmiermittel, und lösen so Erdbeben aus. Inmitten kontinentaler Kruste, wo natürlich weniger Wasser vorkommt, braucht es für längere und intensivere Schwärme aber einen Trigger, der die Fluide in Bewegung versetzt. Oft sind das größere, tektonische Erdbeben oder wie im Vogtland magmatische Aktivität.

In der Vergangenheit gehörte der westliche Taunus und der angrenzende Westerwald nicht zu den Gebieten hoher Erdbebenaktivität. Nur wenige schwach spürbare Erdbeben aus dem späten 20. Jahrhundert sind bekannt, darunter auch zwei kurze Erdbebenschwärme 1977 und mit Hauptbeben 1993. Eine klare Ausnahme bildete das M4.4 Erdbeben weiter nördlich an der Lahn im Februar 2011. Erdbebenaufzeichnungen von vor 1960 fehlen komplett (Leydecker 2011), was aber auch der geringen Bevölkerungsdichte und der Abhängigkeit der Erdbebenkataloge von Zeugenberichten geschuldet sein kann.

Aktuelles aus der Region  Leichtes Erdbeben (M2.0) in Kruft

Hebung des Rheinischen Schiefergebirges durch magmatische Aktivität

Dabei ist in der Region das Potential für mehr Erdbeben durchaus gegeben. Eine 2021 veröffentlichte Studie zeigt, dass sich weite Teile des Rheinischen Schiefergebirges um bis zu 1 Millimeter pro Jahr heben. Der Eifel-Mantelplume, eine Zone heißen Gesteins im oberen Erdmantel, die für den Vulkanismus der Region ursächlich ist, drückt nach oben und hebt die Erdkruste seit 200.000 Jahren verstärkt an (Kreemer 2020). Nacheiszeitliche Prozesse könnten die Hebung in jüngster Zeit verstärkt haben, die auch aktuell von Satelliten noch nachgewiesen wird.

Dehnungsraten durch den Aufstieg des Eifel-Plumes
Hebungsraten infolge des Aufstiegs des Eifel-Plumes (Grafik aus Kreemer 2020). Die einhergehende Hebung der Kruste führt noch in großer Entfernung zur Spannungsänderung, was neben Eifel und dem südlichen Niederrhein auch Taunus, Westerwald und Hunsrück betrifft. Grünes Polygon: Ausdehnung des Rheinischen Schiefergebirges (Rheinisches Massiv).

Die sichtbare Folge sind tief eingeschnittene Flusstäler, flache Hochebenen und eine sanfte Hügellandschaft. Aber auch Dehnungsprozesse, die sich vor allem im südlichen Niederrheingebiet durch hohe Erdbebenaktivität bemerkbar machen und wahrscheinlich der Grund sind, warum dort im Vergleich zu ähnlichen geologischen Gräben der Umgebung tatsächlich noch Aktivität vorhanden ist. In den Mittelgebirgen selbst, die direkt über dem Mantelplume liegen, sind die Erdbeben aber eher schwach. Möglicherweise, weil es in der Tiefe durch magmatische Prozesse zu heiß wird. (Dahm 2020)

Eine Tiefe, in der die Beben vom Januar 2018 lagen. Mit bis zu 21 Kilometern gehörten sie zu den tiefsten jemals registrierten Erdbeben im Rheinischen Schiefergebirge. Nur die magmatischen DLF-Erdbeben in der Eifel waren tiefer (Hensch 2019). Diese Ausnahme von der Regel spricht für eine veränderte Situation wie das plötzliche Auftauchen großer Fluidmengen, wahrscheinlich aufgestiegen aus größerer Tiefe. Fluide, die möglicherweise direkt aus dem Erdmantel stammen, oder auch von einem Magmakörper in der unteren Kruste freigesetzt werden. Studien zeigten die Existenz von Gasaustritten in Heidenrod, deren Quelle zumindest teilweise im Erdmantel zu finden ist (May 2019).

Fluide möglicherweise durch magmatische Aktivität freigesetzt

Ausgehend vom ursprünglichen Herd in großer Tiefe breiteten sich die Fluide entlang einer vorhandenen Störung aus, stiegen auf und sprangen auch auf benachbarte Störungen über. Kam es durch diese Fluide zu einem erhöhten Porenfluiddruck, zum Beispiel durch Stau und dadurch Druckaufbau, lösten sie kleine Erdbebenschwärme aus. Wie das Klappern einer Tür, wenn jemand am Kachelofen wackelt. Dass dieser Prozess über Jahre andauerte und auch wiederholt in gleichen Clustern auftrat, deutet einen stetigen und andauernden Zustrom von Fluiden aus größerer Tiefe an, der stark genug ist, um größere Gebiete zu erfassen.

Wie lange diese Serie an Erdbebenschwärmen andauern und ob sie auch zu größeren Erdbeben führen wird, lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt nicht bestimmen. Zur Ermittlung des genauen Ursprungs sind weitere Studien notwendig. So bleibt bis auf weiteres unklar, ob tatsächlich magmatische Aktivität ausgehend vom Eifel-Plume der Auslöser der Heidenrod-Sequenz bleibt. Doch selbst in einem solchen Fall würde aufgrund der Tiefe kein Grund zur Annahme bestehen, dass die Erdbeben an Anzeichen vulkanischer Aktivität sind. Wahrscheinlicher ist, dass es sich um ein halbwegs normales Zusammenspiel magmatischer und tektonischer Aktivität handelt, das einfach bisher unbeobachtet blieb. Dass im Taunus durch Einfluss des Eifel-Plumes grundsätzlich eine gewisse Wahrscheinlichkeit für magmatische Aktivität besteht, wird auch in Studien zur Atomendlagersuche angenommen (Schreiber 2021).

Die Erdbeben sind klein, Spürbarkeit bisher kaum vorhanden. Für einen Eintrag in historische Erdbebenkataloge ist die Bevölkerungsdichte zu gering. Eine ähnliche Erdbebenschwarmserie vor 100 Jahren wäre wahrscheinlich undetektiert geblieben. So wie alles, was wirklich vor 1960 passiert ist. Die aktuellen Beben Mitte August zeigen auf jeden Fall, dass die Fluidbewegung weiter andauert und auch in Zukunft Beben auslösen kann. Ob es nach Januar 2018 ein weiteres Mal für spürbare Erschütterungen reicht, bleibt abzuwarten.

Verwendete Literatur

Dahm, T., Stiller, M., Mechie, J., Heimann, S., Hensch, M., Woith, H. (2020): Seismological and geophysical signatures of the deep crustal magma systems of the Cenozoic volcanic fields beneath the Eifel, Germany. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 21, e2020GC009062. https://doi.org/10.1029/2020GC009062
Hensch, M. ,Dahm, T., Ritter, J., Heimann, S., Schmidt, B., Stange, S., Lehmann, K. (2019): Deep low-frequency earthquakes reveal ongoing magmatic recharge beneath Laacher See Volcano (Eifel, Germany), Geophysical Journal International, Volume 216, Issue 3, March 2019, Pages 2025–2036, https://doi.org/10.1093/gji/ggy532
Homuth, B. (2020): Mikroseismizität in Hessen–Die Erdbebenserie bei Bad Schwalbach im Taunus
Kreemer, C., Blewitt, G., Davis, P. M. (2020): Geodetic evidence for a buoyant mantle plume beneath the Eifel volcanic area, NW Europe, Geophysical Journal International, Volume 222, Issue 2, August 2020, Pages 1316–1332, https://doi.org/10.1093/gji/ggaa227
Leydecker, G. (2011): Erdbebenkatalog für Deutschland mit Randgebieten für die Jahre 800 bis 2008
May, F. (2019): Möglichkeiten der Prognose zukünftiger vulkanischer Aktivität in Deutschland –
Kurzbericht zur Standortauswahl, Hannover (BGR).
Schreiber, U., Jentzsch, G. (2021): Vulkanische Gefährdung in Deutschland. – Bewertung möglicher vulkanischer Aktivitäten der nächsten 1 Million Jahre in Deutschland inklusive Festlegung der Gebiete mit einer Eintrittswahrscheinlichkeit in diesem Zeitraum. – Gutachten im Auftrag der BGE im Rahmen der Endlagersuche

Datenquellen Erdbebendienste:

Landesamt für Geologie und Bergbau, Rheinland-Pfalz (LGB)
Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)
Bundesanstalt für Geologie und Rohstoffe (BGR)