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Die Kombination zweier Modellierungsansätze kann die mit Landhebung verbundene Seismizität und die Schwarmbeben der letzten Jahrzehnte in der Umgebung von Neapel darstellen. Das verbessert auch die Gefährdungsabschätzung.
Zusammenfassung
Der Vulkankomplex der Phlegräischen Felder unter dem Ballungsraum der 900.000-Einwohner-Metropole Neapel in Italien hebt sich seit 2005 zunehmend an – begleitet von einer steigenden Anzahl kleiner Erdbeben. Diese Entwicklung sorgt in der dicht besiedelten Region seit Jahren für wachsende Aufmerksamkeit. Zwar sind solche Hebungs- und auch Senkungsphasen dort seit über tausend Jahren bekannt, doch der Zusammenhang zwischen Bodenhebung und Erdbebenaktivität ist komplex und noch nicht vollständig verstanden.
Eine aktuelle Studie im Fachmagazin Nature Communications Earth and Environment zeigt nun, dass sich die langfristige Entwicklung der Erdbebenaktivität gut erklären lässt, wenn Spannungsänderungen in der Erdkruste mit dem Reibungsverhalten geologischer Störungen kombiniert werden. Die zusätzlich beobachteten Erdbebenschwärme lassen sich zumindest teilweise durch Wechselwirkungen zwischen einzelnen Erdbeben erklären und erfolgreich als überlagerte Nachbebenfolgen modellieren.
Den Forschenden um PD Dr. Sebastian Hainzl vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung ist es gelungen, die beobachteten Erdbebenmuster der vergangenen Jahrzehnte durch die Verbindung von langfristigen und kurzfristigen Modellansätzen realistisch nachzubilden. Hierfür werteten sie Erdbebenkataloge und Höhenmessungen seit etwa 1905 aus. Ein Test zeigte, dass das Modell auch für kurzfristige, probabilistische Vorhersagen geeignet ist, insbesondere für die zu erwartende Erdbebenrate und mögliche Maximalmagnituden in Zeiträumen von Wochen bis Monaten. Damit liefert die Studie ein wichtiges neues Werkzeug zur besseren Einschätzung der seismischen Gefährdung im Gebiet der Campi Flegrei.
Hebungszyklen in Campi Flegrei
Unter dem Ballungsraum der 900.000-Einwohner-Metropole Neapel erstreckt sich ein komplexes magmatisches System aus verschiedenen Reservoiren in der Erdkruste und im oberen Erdmantel. Magmatische und hydrothermale Prozesse führen in Campi Flegrei seit Jahrhunderten zu wiederkehrenden Phasen von Bodenhebung und -senkung, die häufig mit erhöhter Erdbebenaktivität einhergehen. Gelegentlich enden diese Zyklen in Vulkanausbrüchen, die neue Maare oder Kegel bilden. Die letzte Eruption ereignete sich im Jahr 1538 am Monte Nuovo nach Hebungsphasen zwischen 1400 und 1536, die der heutigen Situation ähneln.
Seit 2005 hebt sich der Boden erneut, bislang um mehr als einen Meter, begleitet von einer starken Zunahme flacher Erdbeben, was angesichts der dichten Besiedlung Sorgen auslöst. Ähnliche Hebungsphasen traten auch im 20. Jahrhundert auf – insbesondere in den Jahren 1950-52, 1969-72 und 1982-84. Sie führten aufgrund der erhöhten seismischen Aktivität teilweise sogar zu Evakuierungsmaßnahmen.
Das langfristige Phänomen der Landhebung und Seismizität wird auf die Druckzunahme eines gasreichen Reservoirs in 3–4 Kilometer Tiefe zurückgeführt, nicht auf direkte Magmaintrusion.
Neue Studie untersucht die Seismizitätsmuster der Region
In ihrer aktuellen Studie untersuchen PD Dr. Sebastian Hainzl, Wissenschaftler in GFZ-Sektion 2.1 „Erdbeben- und Vulkanphysik“, Prof. Dr. Torsten Dahm, Leiter derselben Sektion, und Dr. Anna Tramelli vom italienischen Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), die Ursache für die besonderen Seismizitätsmuster in der Region. Ihre Analyse stützt sich auf Modellierungen sowie auf Daten aus Erdbebenkatalogen und Deformationsdaten. Letztere stammen aus den Langzeit-Höhenmessungen seit 1905 sowie aus den Kurzzeitdaten der am selben Standort befindlichen GPS-Station RITE. Die Seismizitätsdaten stammen aus verschiedenen Erdbebenkatalogen: Seit 2005 aus dem lokalen Katalog mit Dauer-Magnituden, der vom Observatorio Vesuviano bereitgestellt wird; auf einer längeren Zeitskala aus dem HORUS-Katalog mit homogenisierten Momentmagnituden für Erdbeben in Italien seit 1960.
Um die Mechanismen hinter den beobachteten Phänomenen zu ergründen, hat das Forschungsteam verschiedene Modellierungsansätze miteinander verglichen und kombiniert.
Langfristige Entwicklungen: Bodenhebung und Erdbeben
Die Studie zeigt, dass die Erdbebenaktivität in den Campi Flegrei eng mit der Bodenhebung verknüpft ist. Dabei ist die Bebenrate jedoch nicht einfach proportional zur Hebungsrate, sondern sie zeigt seit 2005 eine deutlich nichtlineare, beschleunigte Reaktion. Die Forschenden weisen nach, dass der aus der Gesteinsmechanik bekannte Kaiser-Effekt zwar die grundsätzliche Beziehung zwischen Hebung und Seismizität über die letzten 100 Jahre erklärt. Für eine detaillierte Beschreibung reicht er allerdings nicht aus. Die sich kontinuierlich beschleunigende Erdbebenaktivität, d. h. der nichtlineare Zusammenhang zwischen Hebung und Seismizität, kann hingegen mit dem aus Laborversuchen bekannten Reibungs- und Bruchverhalten erklärt werden. Hier kommt das sogenannte RS-Modell zum Einsatz (Rate-and-State – Geschwindigkeits- und Zustandsmodell).
Kurzfristige Entwicklungen: Erdbebenschwärme
Während der langfristige Seismizitätstrend mit der Hebung korreliert und durch den Spannungsaufbau im Gestein erklärbar ist, gilt dies nicht für die auf kurzer Zeitskala beobachteten Schwarmbeben. Sie stehen wahrscheinlich im Zusammenhang mit episodischen Fluidintrusionen, die nicht mit der Landhebung korrelieren, sondern durch andere Beben ausgelöst werden.
„Wir konnten erstmals zeigen, dass diese Bebenschwärme durch Wechselwirkungen zwischen einzelnen Ereignissen zumindest teilweise erklärbar sind und typische Charakteristika von tektonischen Nachbebenserien besitzen“, erläutert Sebastian Hainzl.
Das Standardmodell zur statistischen Beschreibung der Erdbebeninteraktionen ist das sogenannte Epidemic-Type Aftershock Sequence Modell (ETAS).
Innovativer Modellierungsansatz: Kombination zweier Modelle
Um sowohl die Physik langfristiger spannungsbedingter Veränderungen als auch die statischen Merkmale der kurzfristigen Erdbebenclusterbildung zu erfassen, kombinierten die Forschenden das RS-Modell zur Beschreibung der zeitabhängigen Hintergrundrate mit dem Erdbebeninteraktionsmodell ETAS für die Erdbebenschwärme.
„Mit dieser Kombination konnten wir erfolgreich das langfristige Auftreten der beobachteten größeren Erdbeben (M>3) seit 1960 modellieren, und auch die detaillierteren Beobachtungen der Aktivität (M>0.5) seit 2005“, resümiert Hainzl.
Vielversprechendes Vorhersage-Werkzeug
Vorhersagetests, bei denen nur Daten aus der Vergangenheit verwendet wurden, zeigen, dass mithilfe des entwickelten Kombi-Modells probabilistische Kurzfristprognosen der Erdbebenraten und Maximalmagnituden möglich sind. „Somit stellt dieser hybride Modellansatz ein vielversprechendes Werkzeug zur Verbesserung der seismischen Gefährdungsabschätzung in den Phlegräischen Feldern und möglicherweise auch in anderen Vulkansystemen dar“, so Hainzl.
PD Dr. Sebastian Hainzl
Sektion 2.1 Erdbeben- und Vulkanphysik
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Tel.: +49 331 6462-1897
E-Mail: hainzl@gfz.de
Prof. Dr. Torsten Dahm
Leitung Sektion 2.1 Erdbeben- und Vulkanphysik
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Tel.: +49 331 6462-1200
E-Mail: dahm@gfz.de
Hainzl, S., Dahm, T. & Tramelli, A. A deformation-driven earthquake interaction model for seismicity at Campi Flegrei. Commun Earth Environ 7, 244 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03296-3
Ein Blick auf Neapel. Die 900.000-Einwohner-Metropole liegt in einem vulkanisch hoch aktiven Gebiet.
Source: Simone Ceska / GFZ
Copyright: CCBY 4.0
Grafiken zu Hebungsraten und Modellergebnissen aus der Originalpublikation.
Source: Hainzl et al. (Nat. Comm.)
Copyright: CCBY
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Geosciences
transregional, national
Research results
German
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