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Prof. Dr. U. Hansen, Dr. H. Harder, Dr. H. Jödicke, Dr. J. Schmalzl

Geodynamik

Nach den Ergebnissen der Seismologie wurde das klassische Schalenmodell der Erde entworfen. Danach befindet sich unter der äußersten Schale, der etwa 30 - 100 km dicken Erdkruste, der mächtige Erdmantel, der sich bis zu einer Tiefe von 2900 km erstreckt. Das Material des Erdmantels verhält sich gegenüber kurzzeitigen Beanspruchungen fest, über geologische Zeiträume jedoch wie eine zähe Flüssigkeit. An den Erdmantel schließt sich der äußere, flüssige Erdkern an, der im Wesentlichen aus Eisen besteht. Bei einer Tiefe von 5150 km befindet sich eine scharfe Grenzschicht, die den äußeren Erdkern vom inneren, festen Erdkern trennt.
Der Gegenstand der Geodynamik ist die Erforschung der Prozesse, die in diesem System ablaufen. Vereinfacht gesprochen kann die Erde als Wärmekraftmaschine aufgefasst werden, in der die Wärme des Erdinnern in Bewegung umgesetzt wird. Dabei treten im Erdmantel und im Erdkern Konvektionsströmungen auf, die den Antriebsmechanismus der großskaligen geodynamischen Phänomene darstellen. Das bekannteste Phänomen, die Plattentektonik, wurde bereits 1924 von Alfred Wegener als "Kontinentverschiebung" postuliert. Heute wissen wir, dass den Kontinenten eher eine passive Rolle zukommt. Aktiv sind hingegen untermeerische Gebirge, die so genannten ozeanischen Rücken, an denen ständig neues Material aus dem Erdmantel aufsteigt. Dieses Material driftet von den Rücken weg, kühlt dabei aus und wird infolge der Abkühlung schwerer. Ist diese wegdriftende Platte 'schwer genug', so taucht sie an Subduktionszonen wieder in den Erdmantel ein. In diesem - hier stark vereinfacht dargestellten - plattentektonischen Zyklus stellen besonders die Subduktionszonen Bereiche heftiger Erdbebentätigkeit dar.

Zum Verständnis einzelner Elemente der Plattentektonik, wie Subduktion oder mittelozeanische Rücken, spielen direkte Beobachtungen eine wichtige Rolle. Einen Schwerpunkt hierzu bildet in Münster die Methode der Magnetotellurik, mit der die Leitfähigkeitsverteilung im Tiefenbereich von Erdkruste und oberstem Erdmantel bestimmt werden kann. Am Beispiel der unter Mexiko subduzierten Cocos-Platte konnte gezeigt werden, dass sich oberhalb der Platte definierte Bereiche erhöhter Leitfähigkeit bilden, in denen sich offenbar Wasser aus mineraltypischen Entwässerungsreaktionen der abtauchenden Platte sammelt. Da Wasser den Schmelzpunkt von Gesteinen erniedrigt, entstehen in entsprechender Tiefe Magmen, die zur Erdoberfläche aufsteigen und die bekannten eindrucksvollen Vulkangürtel bilden. Bei der Untersuchung der geodynamischen Vorgänge im Erdmantel und Erdkern machen die extremen räumlichen und zeitlichen Dimensionen eine unmittelbare Beobachtung oder die Untersuchung der zugehörigen Prozesse im Labor weitgehend unmöglich. Das wichtigste Forschungsinstrument der Geodynamik ist hier deshalb der Computer, und die bedeutendsten Methoden entstammen dem Gebiet der 'Computational Physics'. Zur Simulation geodynamischer Vorgänge ist allerdings ein erheblicher Aufwand erforderlich, d.h. der Bedarf an Computerleistung ist ähnlich hoch wie in Rechnungen zur Klimaentwicklung. Der Entwurf neuer numerischer Verfahren, die Optimierung von Algorithmen und der Einsatz spezieller Rechnerarchitekturen gehören demnach zum Rüstzeug der Geodynamik. An unserem Institut arbeiten wir an Modellen, in denen die Kopplung von Mantelkonvektion und Plattentektonik untersucht wird, wie eine Momentaufnahme aus einer numerisch simulierten Entwicklung zeigt: Deutlich sind die kalten (blauen) Zonen zu erkennen, die Subduktionen entsprechen, während sich etwa in der Mitte der Box ein Aufbruch der Platte entwickelt, der einem ozeanischen Rücken entspricht. Diese Modelle dienen also dazu, Mechanismen aufzudecken, denen bei der Entstehung und der Entwicklung von Plattentektonik eine Schlüsselrolle zukommt. Unter anderem ist es wichtig zu verstehen, warum gerade die Erde Plattentektonik aufweist, andere Planeten dagegen nicht.

Mit den Sinnen des Menschen nicht unmittelbar wahrnehmbar ist eine andere wichtige Eigenschaft unseres Planeten: Die Erde besitzt ein Magnetfeld. Heute gilt als gesichert, dass der Mechanismus, der das irdische Magnetfeld verursacht, tief im Erdinnern liegt. In einem weiteren Forschungsgebiet der Geodynamik soll durch die Untersuchung des Phänomens des Erdmagnetismus insbesondere geklärt werden, wie im flüssigen, äußeren Erdkern mechanische Energie in einer Art 'Dynamoprozess' in magnetische Energie umgesetzt und so das irdische Magnetfeld entstehen und aufrechterhalten werden kann.

Prof. Dr. M. Lange, Dr. N. Blindow, Dr. M. Degutsch

Polarforschung

Von der gesamten Landfläche der Erde nimmt die Antarktis etwa 9,4% ein. Während das Festland der Antarktis zum größten Teil mit Eis bedeckt ist, das stellenweise eine Mächtigkeit von mehr als 4 km erreicht, ist nahezu die Hälfte der Küstenlinie durch Schelfeise gesäumt. Schelfeise ragen als schwimmende Eistafeln auf den Ozean hinaus und führen so das Eis der Antarktis dem Ozean zu. Etwa 70-80% der gesamten Süßwasserreserven der Erde sind im Eis der Antarktis gespeichert. Durch Schmelzprozesse an der Unterseite der Schelfeise gebildetes Schmelzwasser beeinflusst die Zusammensetzung der Wassermassen im polaren Ozean. Durch Ausbreitung in den Weltmeeren dringt dieses kalte Wasser bis weit in die nördliche Hemisphäre vor und trägt so zum weltweiten Wassermassenaustausch bei.

Eis ist kein starrer inelastischer Körper, sondern fließt aufgrund der Schwerkraft von den höhergelegenen Eisschildregionen im Inland in Richtung Küste ab. Diese Bewegungen betragen wenige cm/Jahr im Inland bis zu einigen 100 m/Jahr in Bereichen der Auslassgletscher und erreichen in den Schelfeisgebieten sogar 1000-1500 m/Jahr. Um die Bewegung und Geometrie eines Eiskörpers zu beschreiben und hieraus Aussagen über dessen Massenhaushalt und Dynamik sowie seine Sensitivität gegenüber veränderten Klimarandbedingungen (z.B. atmosphärische Erwärmung) ableiten zu können, muss der "Ist-Zustand" des Eiskörpers im gesamten Untersuchungsgebiet bestimmt werden.

So werden Oberflächenhöhen mit GPS (Global Positioning System)-Messgeräten oder durch satellitengestützte Radarhöhenmessungen erfasst. Eisdicken, aber auch interne Schichtungen im Eis lassen sich durch Vermessung mit dem elektromagnetischen Reflexionsverfahren (EMR) bestimmen.
Computermodelle bieten die Möglichkeit, Bewegungs- und Veränderungsprozesse quantitativ zu beschreiben. Zeitabhängige Simulationsrechnungen helfen dabei, den "Ist-Zustand" genauer zu erfassen und zukünftige glaziale Entwicklungen in Abhängigkeit möglicher globaler Klimaveränderungen abzuschätzen. Computermodelle dienen weiter dazu, gegenüber Klimaschwankungen besonders empfindliche Regionen zu identifi zieren.

Klimarelevante Fragestellungen in der Polarforschung sind heute immer auch im engen Zusammenhang mit Fragen der Folgen solcher Veränderungen auf terrestrische, Süßwasser- und marine Ökosysteme zu sehen. Die Bedeutung des globalen Wandels für naturräumliche, aber auch sozioökonomische Systeme in besiedelten Gebieten der Nordpolarregion stellt hier ein wichtiges Forschungsfeld dar, mit dem Beiträge für eine zukunftsfähige Entwicklung der europäischen Arktis geleistet werden.

Prof. Dr. M. Lange, Dr. N. Blindow, Dr. M. Degutsch, Dr. H. Jödicke

Umweltgeophysik

Menschliche Tätigkeiten beeinflussen hauptsächlich die obersten 20 m der Erdkruste. Tiefbauprojekte, Deponien, Altlasten und Verunreinigungen reichen nur selten über diesen Tiefenbereich hinaus. Das Auffinden von Störkörpern nahe der Erdoberfläche sowie die Abbildung geologischer oder wasserführender Strukturen sind die wichtigsten Aufgaben der Umweltgeophysik. Diese Teilbereiche der Angewandten Geophysik werden bei Anwendungen im Baubereich auch als Ingenieurgeophysik und bei archäologischen Untersuchungen als Archäo-Geophysik oder Archäometrie bezeichnet.
Die Messverfahren der Umweltgeophysik sind weitgehend zerstörungsfrei. Sie nutzen physikalische Effekte aus, um Aussagen über den Untergrund zu machen. So werden z.B. in der Seismik künstlich erzeugte Erschütterungswellen an Schichtgrenzen reflektiert und gebrochen. Aus den Laufzeiten solcher Wellen kann man die Lage der Schichten bestimmen. In den Amplituden sind Informationen über Struktureigenschaften enthalten. Auf ähnliche Weise lassen sich elektromagnetische Impulse nutzen. Andere Verfahren arbeiten mit elektrischen, magnetischen oder niederfrequenten elektromagnetischen Feldern.
Die Auswertung der Messungen und die Visualisierung der Daten und Ergebnisse geschieht mit Hilfe leistungsfähiger Computer. Auch die numerische Simulation von Messungen und Modellrechnungen sind wichtiger Bestandteil der Interpretation. Die folgenden Beispiele sollen dies verdeutlichen.

Grundwassererkundung

Die Erforschung von Grundwasservorkommen erfolgt vor allem mit elektrischen und elektromagnetischen Messungen. So wurde die Gestalt der Süßwasservorkommen unter zwei Nordseeinseln untersucht.

Entwicklung von seismischen Quellen

Seismische Messungen im oberflächennahen Bereich erfordern den Einsatz von Quellen mit genügend großer Energie für hohe Frequenzen, um das erforderliche Auflösungsvermögen zu erzielen. Häufig wird ein Hammerschlag auf eine auf dem Untergrund ruhende Kopplerplatte als seismische Quelle zur Erzeugung von Longitudinalwellen (P-Wellen) genutzt. Der automatisierte, in seinen Eigenschaften stets gleichbleibende Hammerschlag ist z.B. das Ziel bei der Entwicklung eines tragbaren beschleunigten Fallgewichts.

Radar-Tomographie

Hochauflösende Abbildungen von Eigenschaften des Untergrundes erhält man durch Einsatz tomographischer Verfahren. So lassen sich Störkörper oder Kontaminationen mit elektromagnetischen Impulsen von Bohrlöchern aus orten. Wir untersuchen weitgehend methodische Fragestellungen, z.B. die Abstrahlcharakteristik von Bohrlochantennen, und testen mögliche Anwendungsgebiete. Das Beispiel zeigt anhand von Geschwindigkeitstomogrammen die zeitliche Entwicklung eines Schadensfalles, bei dem Benzin aus einer Pipeline in den Boden eingesickert war.

Archäometrie

Geophysiker der Universität Münster unterstützen Archäologen beim Auffinden der verborgenen Überreste von Bauten und Verteidigungsanlagen. Nicht nur an Siedlungsplätzen der antiken Welt wie Alexandria Troas, Troia oder Doliche (in der heutigen Türkei) wird geforscht. Auch im Münsterland finden sich interessante historische Zeugnisse, wie die magnetische Vermessung des ehemaligen Schlosses Bevern zeigt, das von alten Gemälden bekannt ist. An seiner Stelle befindet sich heute ein Acker.

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