Nankai-Trog

Der Nankai-Graben (南海トラフ, Nankai Torafu ; Südlicher Meeresgraben) ist ein Unterwassergraben südlich der Nankaidō -Region auf der japanischen Hauptinsel Honshu , der sich etwa 900 km (559 Meilen) vor der Küste erstreckt. Die darunterliegende Verwerfung , die Nankai-Megathrust, ist die Ursache der verheerenden Nankai-Megathrust-Erdbeben , während der Graben selbst potenziell eine bedeutende Quelle für Kohlenwasserstoffe in Form von Methanhydrat darstellt .

In der Plattentektonik markiert der Nankai-Graben eine Subduktionszone , die durch die Subduktion der Philippinischen Platte unter Japan, einem Teil der Eurasischen Platte, entstanden ist (Kanda et al., 2004). Diese Plattengrenze wäre ein Tiefseegraben, gäbe es nicht einen hohen Sedimenteintrag, der den Graben auffüllt. Innerhalb des Nankai-Grabens findet sich eine große Menge deformierter Grabensedimente (Ike, 2004), was ihn zu einem der besten Beispiele für einen Akkretionskeil auf der Erde macht . Darüber hinaus haben seismische Reflexionsstudien das Vorhandensein von Erhebungen im Grundgebirge aufgezeigt, die als mit Sedimenten bedeckte Seeberge interpretiert werden (Ike, 2004). Der nördliche Teil des Grabens ist als Suruga-Graben bekannt , während sich östlich davon der Sagami-Graben befindet . Der Nankai-Graben verläuft annähernd parallel zur Japanischen Medianlinie .

Konventionelle geologische Schätzungen der Plattenbewegungsgeschwindigkeiten sind im Nankai-Graben schwierig, da dort keine mittelozeanischen Rücken die tektonische Platte begrenzen . Dieses Gebiet war in den ursprünglichen NUVEL-Modellen nicht enthalten (DeMets et al., 1990). Eine neuere Studie, die die Philippinische Platte miteinbezog , basierte jedoch auf Daten des NUVEL-1A-Modells (Zang et al., 2002). Diese Studie schätzt die Subduktionsgeschwindigkeit im Nankai-Graben auf etwa 43 mm/Jahr. Berechnungen auf Basis von REVEL zeigen, dass es im Graben zu keiner Spannungsakkumulation kommt. Die Bewegungsraten wurden auf einen Bereich von 3,0 ± 1,8 mm/Jahr bis 11,1 ± 1,7 mm/Jahr berechnet (Sella et al., 2002). Wie bereits erwähnt, berücksichtigt das NUVEL-1A-Plattenbewegungsmodell die Philippinische Platte nicht. Dies liegt daran, dass die mathematischen Berechnungen dieses Modells lediglich zwölf Platten berücksichtigten und das Philippinische Meer sowie den eurasischen Plattenrand nicht einbezogen wurden. Unter Verwendung der Plattenbewegung zwischen Eurasien und Nordamerika wurde jedoch eine Rate von 2–4 mm/Jahr geschätzt (DeMets et al., 1990). Dies steht im Widerspruch zum REVEL-Modell und deutet darauf hin, dass das NUVEL-1A-Modell möglicherweise einer weiteren Überarbeitung bedarf.

Die Ablagerungen im Trog bestehen hauptsächlich aus Grabenkeil - Turbiditen (Spinelli et al., 2007). Es gibt Hinweise auf eine erhöhte Porositätserhaltung im Gestein. Normalerweise nimmt die Porosität mit zunehmender Tiefe ab. An Bohrstelle 1173 wurde jedoch eine anomale Porositätserhaltung in der Tiefe beobachtet. Diese wird auf eine postdepositionelle Opalzementierung zurückgeführt, die die Porosität erhält (Spinelli et al., 2007). Die detritischen Tone, vorwiegend Smektit , weisen sowohl im Nankai-Graben als auch im Shikoku-Becken zeitliche und räumliche Variationen auf. Mit zunehmender Tiefe steigt der Smektitgehalt in den Sedimenten, was auf eine Veränderung des Ausgangsgesteins schließen lässt (Steurer et al., 2003). Darüber hinaus findet eine geothermische Umwandlung des Smektits statt, wodurch dieser in Illit-Ton umgewandelt wird (Steurer et al., 2003).

Der Nankai-Graben ist aktiv deformiert und markiert eine seismische Aktivitätszone. Die Deformation konzentriert sich auf die äußerste Schuppenschichtzone, wobei landwärts eine signifikante Anzahl von Überschiebungen außerhalb der tektonischen Abfolge auftritt. Basierend auf den Arbeiten von Operto et al. (2006) wurden mithilfe der Vollwellenform-Tomographie mehrere Gebiete intensiver tektonischer Aktivität im Nankai-Graben identifiziert. Der obere Teil des oberen Akkretionskeils und der darunter liegende Rückstau sind derzeit einem hohen Kompressionsdruck ausgesetzt. Operto et al. (2006) identifizierten mehrere Überschiebungen, von denen die der Subduktionszone am nächsten liegenden aktiv sind. Darüber hinaus identifizierten Pisani et al. (2006) Protothrusts und Abscherflächen entlang des Nankai-Grabens. In jüngster Zeit ist das Interesse an der Wasserfreisetzung aus Illit-Tonen in subduzierten Sedimenten gestiegen. Die Umwandlung von Smektit in Illit (Illitisierung) in Subduktionszonen wird wahrscheinlich durch die höheren Temperaturen in diesen Zonen im Vergleich zu nicht-subduzierten Sedimenten verursacht (Saffer et al., 2005). Die IODP- Expedition 370 zielt darauf ab, die Temperaturgrenze für tiefstes Leben auf der Erde zu ermitteln, indem sie im Nankai-Graben bohrt. Dort ist der Wärmefluss in der Nähe der Grenze zur subduzierten, jungen und heißen tektonischen Platte des Philippinischen Meeres besonders hoch. Am Zielort ist der geothermische Gradient etwa viermal steiler als anderswo im Pazifischen Ozean. Um in anderen Gebieten Temperaturen von etwa 130 °C zu erreichen, müssten Bohrkerne aus einer Tiefe von etwa 4 Kilometern unter dem Meeresboden entnommen werden, anstatt der von Expedition 370 geplanten 1,2 Kilometer. ^{[ 1 ]} Schließlich erreichte die IODP-Expedition 370 in 1,2 Kilometern Tiefe eine Temperatur von etwa 120 °C ^{[ 2 ] [ 3 ]} , wobei mineralogische Funde auf lokal begrenzte Tiefen mit deutlich höheren Temperaturen aufgrund heißer Fluide hindeuten. ^{[ 3 ]}

Der Nankai-Graben ist die oberflächennahe Fortsetzung einer Zone aktiver Seismizität, die unter Südwestjapan abtaucht. Die Bruchzone wurde hinsichtlich seismischer Modellierung in fünf Bereiche unterteilt (Mitsui et al., 2004). Diese fünf Unterteilungen weisen interessante Unterschiede im Erdbebenverhalten auf : Die Erdbebenhäufigkeit variiert in einem Zyklus von 90 bis 150 Jahren (Mitsui et al., 2004; Tanioka et al., 2004), ähnliche Gleitvorgänge treten entlang der Bruchsegmente auf, die Reihenfolge der Verwerfungen in den Unterteilungen ist unterschiedlich, und schließlich zeigen sich unterschiedliche Bruchmerkmale. Hydrologische Observatorien wurden in im Jahr 2000 gebohrten Bohrlöchern ( IODP- Bohrstellen 808 und 1173) installiert, um die durch die vordringende Philippinische Platte verursachten Änderungen des Porenflüssigkeitsdrucks zu quantifizieren (Davis et al., 2006). Bohrstelle 808 befindet sich im vorderen Bereich der Hauptüberschiebung, während Bohrstelle 1173 etwa 11 km von der Frontalzone der Überschiebung entfernt liegt (Hitoshi et al., 2006). Weitere interessante Ergebnisse der Druckmessungen waren die Druckänderungen, die durch Sedimentdeformationen in der Nähe der Bohrlöcher und durch sehr schwache Erdbebenschwärme zum Zeitpunkt der Druckänderungen hervorgerufen wurden (Davis et al., 2006). Die Arbeitshypothese lautet, dass die Druckänderungen eine Änderung der elastischen Spannung innerhalb der Formation anzeigen (Davis et al., 2006).

Eine seewärts gerichtete Druckveränderung, gemessen mit Bohrlochinstrumenten, deutet wahrscheinlich auf eine Entspannung der Sedimente nach dem vorangegangenen schweren Überschiebungsbeben hin. Darüber hinaus scheint die kurzperiodische Seismizität in gewissem Maße von bathymetrischen Erhebungen wie Seebergen abzuhängen . Dies schlussfolgerten Kanda et al. (2004) durch Inversionsanalyse seismischer Daten. Das letzte große Erdbeben im Nankai-Graben ereignete sich historisch gesehen 1944 vor der Kii-Halbinsel . Neuere Untersuchungen mit Meeresbodenseismographen ergaben, dass der Großteil der seismischen Aktivität in der Nähe der Grabenachse auftritt (Obana et al., 2006). Entlang des westlichen Teils des Nankai-Grabens scheint die Seismizität mit Unregelmäßigkeiten in der Krustenstruktur zusammenzuhängen, wie etwa mit Brüchen, die durch den subduzierten Meeresboden, einschließlich der Backarc-Beckenkruste des Shikoku-Beckens , entstanden sind, sowie mit der Serpentinisierung des obersten Mantels unter der überschiebenden Platte (Obana et al., 2006). Jüngste große Erdbeben, die durch Subduktion entlang des Nankai-Grabens verursacht wurden, traten in Gebieten mit stark erhöhten Einfallswinkeln der subduzierten Platte auf (Hori et al., 2004).

Eine Schätzung der japanischen Regierung vom März 2025 ^{[ 4 ]} geht davon aus, dass die Zahl der Todesopfer durch ein Mega-Erdbeben in diesem Gebiet etwa 298.000 betragen und dass etwa 2,35 Millionen Gebäude zerstört werden.

Bohrkerne vom seewärtigen Rand des Nankai-Grabens (wo der Wärmefluss zu den höchsten der Region zählt) zeigen, dass die Sedimente dort lediglich einen Reifegrad im Bereich vor dem Erdölfenster bis hin zum frühen Erdölfenster erreichen. ^{[ 3 ]} Der Graben birgt jedoch das Potenzial, eine bedeutende Quelle für Kohlenwasserstoffe in Form von Methanhydrat zu sein. Bislang gab es jedoch im Jahr 2014 keine kommerzielle Nutzung.

In der Tiefe des Meeresbodens kann Wasser in manchen Fällen eine eisartige Festkörperstruktur bilden, in deren Kristallgitter Methan eingeschlossen ist – sogenannte Gashydrate . Das Wasser für die Bildung von Gashydraten stammt häufig aus der Entwässerung einer abtauchenden Platte sowie der darüberliegenden Platte (Muramatsu et al., 2006). Gashydrate in der Nähe des Trogs scheinen hauptsächlich durch die mit der Subduktion verbundene Entwässerung entstanden zu sein, während die Entstehung mit zunehmender Entfernung vom Trog eher auf die laterale Bewegung methanreicher Wässer zurückzuführen ist (Muramatsu et al., 2006). Dies wurde durch Bohrungen und die Messung der Konzentration sowie die radiometrische Altersbestimmung der Halogene Jod, Brom und Chlor ermittelt (Tomaru et al., 2007). Die Altersbestimmung des Jods deutete auf mehrere Methanquellen hin.

Schätzungen zufolge enthalten konvergente Plattengrenzen bis zu zwei Drittel des gesamten Gashydratvolumens der Erde (Kastner, 2001). Der Nankai-Graben ist bekannt für sein großes Gashydratvorkommen und zählt zu den am besten untersuchten Gebieten mit Gashydratbildung (Collett, 2002; Saito et al., 2007). Informationen zu den Gashydraten im Nankai-Graben wurden erstmals im Jahr 2000 von der japanischen National Oil Corporation veröffentlicht. Die Daten in der Pressemitteilung stammen aus einer Reihe von Bohrungen, die Ende der 1990er Jahre begonnen wurden. In diesem Gebiet sind die sandreichen Bereiche des Grabens die wichtigsten sedimentologischen Faktoren für die Ansammlung von Gashydraten (Collett, 2002). Bohrkernanalysen deuten auf das Vorhandensein von mindestens drei Gashydratzonen hin. Krason (1994) schätzte den Methangehalt in Gashydraten auf 0,42 bis 4,2 × ^{10¹² Kubikmeter. Seismisch betrachtet gelten hohe,} bodennahe, reflektorähnliche Strukturen als Indiz für Gashydrate (Colwell et al., 2004). Methanreiche Horizonte wurden als Bereiche mit höherer Dämpfung von Schallfrequenzen (10 bis 20 kHz) und nur geringer Dämpfung seismischer Frequenzen (30 bis 110 Hz) identifiziert (Matsushima, 2006).

Der Nankai-Akkretionskomplex ist ein Gebiet mit hohem Wärmefluss. ^{[ 1 ]} Seine thermische Geschichte ist aufgrund mehrerer Erwärmungsereignisse und Eigenschaftsänderungen komplex. IODP-Expeditionen haben den Akkretionskomplex des Nankai-Grabens erbohrt und die thermische Geschichte mithilfe von Bohrkernanalysen rekonstruiert. ^{[ 5 ]} Das Gebiet war ursprünglich ein Becken (Shikoku-Becken) mit aktiver hydrothermaler Aktivität während seiner Entstehung. ^{[ 3 ]} Mit dem Ende der Beckenbildung und dem Einsetzen der Sedimentation wirkten die Sedimente wie eine Decke und hielten die darunter liegende Wärme zurück. Die rasche Sedimentation führte zu einer verstärkten Wärmespeicherung. Zudem gab es unterirdische Fluidströme, deren Fluide deutlich heißer waren als die heutige Temperatur der Sedimente. ^{[ 3 ]} Dies beeinflusste die Mineralisierung und möglicherweise auch die physikalischen und biologischen Eigenschaften der Region.

• Nankai-Graben-Gashydratvorkommen
• Subduktion

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