Geophysik-Kurs
Der Kurs "Einführung in die Geophysik" findet am Institut für Geologie statt. Die Aufgabe der Geophysik ist die Beobachtung und Untersuchung der Erde mit physikalischen Methoden. Von Interesse sind dabei der Aufbau der Erde, ihr Magnetfeld, die Bestimmung von Gesteinsschichten, Untersuchungen von Sedimenten am Meeresboden, Vulkanismus, Erdbebenforschung und vieles mehr.
In der Geophysik unterscheidet man passive und aktive Methoden. Zu den passiven Methoden zählen die Untersuchung des Gravitationsfeldes sowie des Magnetfeldes. Von Erdbeben ausgelöste seismische Wellen werden auch für die Untersuchung des Erdinneren genutzt.
Bei der aktiven Nutzung von seismischen Wellen (im einfachsten Fall haut man dabei mit einem Hammer auf den Boden) unterscheidet man Refraktions- und Reflektionsseismologie, Seismologie am Ozeanboden und dreidimensionale Seismologie. Weitere aktive Methoden sind Untersuchungen des elektrischen Widerstandes zur Detektion von Metallen und Flüssigkeiten sowie der Einsatz von elektromagnetischen Wellen.
Gravitation
Abweichungen vom Gravitationsellipsoid werden durch unterschiedliche Massenverteilungen in der Erde verursacht. So ist Ozeankruste z.B. viel dichter, und damit viel schwerer als Kontinentalkruste. Aber auch lokal ergeben sich meßbare Unterschiede: mit Luft oder Öl gefüllte Hohlräume, deren Inhalt sich in der Dichte von dem sie umgebenden Gestein unterscheiden, können so ebenso bestimmt werden.
Als Meßgeräte werden einfache Federn benutzt, über deren Dehnung die Gewichtskraft bestimmt wird, und globale Messungen werden von Satelliten durchgeführt. Bei dem Projekt GRACE befinden sich zwei identische Satelliten 220 km voneinander entfernt in einer niedrigen Umlaufbahn. Aufgrund der Schwankungen in der Gravitation ändert sich ihr Abstand dauernd und eine Messung dieses Abstandes läßt auf die Gravitationsschwankungen schließen.
Bevor Daten von Gravitations-Untersuchungen ausgewertet werden können, müssen sie auf einige Effekte korrigiert werden. Einmal haben die Gezeitenkräfte einen Einfluß auf die Messungen, sie werden entfernt; die Eötvös-Korrektur berücksichtigt die Coriolis-Kräfte, die auf ein sich bewegendes Meßgerät wirken und ebenfalls die wahren Meßwerte verändern. Dann muß der Längengrad korrigiert werden, denn der Erdradius ist am Äquator größer als an den Polen, sowie die Höhe über dem Meer, wenn von einem Flugzeug aus gemessen wird. Steht man auf einem Berg, muß die zusätzliche Gesteinsmasse berücksichtigt werden. Schließlich muß noch das Terrain berücksichtigt werden, wenn man beispielsweise in der Nähe eines großen Berges mißt, der ebenfalls die Messungen beeinflußt. Spätestens hier wird das Ganze aber etwas komplizierter.
Ist es gelungen, die Meßwerte zu reduzieren, kann man zum Beispiel etwas über Isostasie lernen. So hat man festgestellt, daß große Berge in keinen erhöhten Gravitationskräfte resultieren, wie man eigentlich aufgrund ihrer Masse und Dichte erwarten würde. Dies führte zu der Idee, daß die schweren Berge (bzw. ganze Kontinente, Lithosphäre genannt, die oberste Schicht der Erde) auf der darunterliegenden Schicht, der Asthenosphäre, schwimmen. Die Asthenosphäre besteht aus einem elastischen Material, in das die Kontinente einsinken können, genauso wie ein Eisberg im Meer schwimmt.
Eine Gravitationsuntersuchung kann jetzt klären, ob sich ein Kontinent im isostatischen Gleichgewicht befindet. War er vormals von einem großen Eisschild bedeckt, so wie Skandinavien, wurde er stark in die Asthenosphäre heruntergedrückt. Wird das Eis entfernt, so ist der Kontinent plötzlich leichter und fängt an, sich langsam wieder nach oben zu bewegen. Dieser Prozess ist so langsam, daß sich Skandinavien immer noch um einige Zentimeter pro Jahr nach oben bewegt - seit der letzten Eiszeit.
Gravitationsuntersuchungen haben viele Anwendungen. Ozeanbecken können auf diese Weise charakterisiert, Plattengrenzen und Verwerfungen identifiziert, unterirdische Höhlen, Eisen-, Öl- und Gaslagerstätten bestimmt, die Änderung von Eismassen in der Antarktis beobachtet und sogar der Grundwasserfluß untersucht werden.
Magnetfeld
Mit dem Magnetfeld verhält es sich etwas komplizierter als mit der Gravitation. Das Erdmagnetfeld, welches von flüssigem Eisen im Erdinnern erzeugt wird, ist in erster Näherung ein Dipolfeld, es ähnelt einem großen Stabmagneten. Wir haben schon bei dem Artikel über die Nordlichter gesehen, daß das Erdmagnetfeld stark vom Sonnenwind beeinflußt wird - es ist also sehr variabel. Nicht nur der Sonnenwind, auch die magnetischen Pole selbst sind nicht fixiert. im Moment wandern sie etwa 40 km im Jahr in Richtung Nordwesten. Aber nicht nur das: immer wieder drehen sich die magnetischen Pole um - mal ist der magnetische Südpol in der Antarktis, und dann, so wie heute, ist er wieder in der Arktis. Eine Umpolarisierung dauert etwa 1000 Jahre (eine sehr kurze Zeitspanne) und während dieser Zeit ist das Magnetfeld nicht verschwunden, sondern sogar sehr kompliziert. Das letzte Mal hat sich das Magnetfeld vor etwa 750'000 Jahren umgedreht.
Die Umkehrungen des Magnetfeldes sind ein Glücksfall für die Plattentektoniker, welche die Bewegungen der Kontinente untersuchen. Das meiste Gestein hat nämlich magnetische Eigenschaften und bei seiner Entstehung, wenn es sehr heiß ist (z.B. als Lava) richten sich die vielen kleinen Magnete im Gestein an dem gerade herrschenden Erdmagnetfeld aus. Erkaltet das Gestein, z.B. weil es mit Meerwasser in Verbindung kommt wie am Mittelatlantischen Rücken, wird dieses Magnetfeld "eingefroren" - und bleibt über Millionen Jahre erhalten. Betrachtet man heute die Magnetisierungen des Gesteins im Atlantik, findet man ein Streifenmuster ähnlich wie Baumringe - bei jeder Umpolarisierung des Erdmagnetfeldes wird dem Gestein ein anderes Magnetfeld aufgeprägt. So läßt sich die Entstehung des Ozeanbodens und der Kontinente, und deren Geschwindigkeit, bestimmen. Der Atlantik zum Beispiel wird jedes Jahr etwa zehn Zentimeter breiter.
Magnetfeldmessungen sind so kompliziert weil sie nicht nur von der Sonne abhängen, sondern unter anderem auch von dem Ort an dem man sich befindet. An den Polen zeigen die Magnetfeldlinien fast senkrecht nach unten oder oben, währen sie am Äquator horizontal sind. Beim Messen muß man auf metalische Objekte in der Nähe aufpassen - Autos, Eisenbahnschienen, etc. Sind die Meßwerte korrigiert, geben sie z.B. Aufschluß über bestimmte magnetische Materialien, die sich im Erdboden befinden.
Seismologie
Erdbeben entstehen durch sich verschiebende Erdplatten oder durch Vulkanausbrüche. Sie treten vornehmlich an (aktiven) Plattenrändern auf, wo sich eine Platte unter die andere schiebt (sog. Subduktionszone), wie zum Beispiel am Westrand von Amerika ("pazifischer Feuergürtel"). Aber auch die Platten selbst können von langen Rissen durchzogen sein, sogenannte Verwerfungen. Verschieben sich die Platten entlang dieser Verwerfungen, wird über Jahre und Jahrzehnte Spannung aufgebaut, die sich dann innerhalb von Sekunden löst und eine große Energie freisetzt. Erdbeben wandern so oft Verwerfungen entlang, wie an der nordanatolische Verwerfung in der Türkei. Zuguterletzt kann auch das Kollidieren von zwei Kontinenten, wie im Himalaya, zu Erdbeben führen.
Bei einem Erdbeben werden seismische Wellen erzeugt, die sich durch die ganze Erde ausbreitenund überall auf der Welt mit Seismometern aufgezeichnet werden. Ein Seismometer ist im einfachsten Fall ein Stift der die elektrisch verstärkte Schwingung der Erde auf eine Papierrolle zeichnet. Man unterscheidet zwei Arten von Wellen, die P- und die S-Wellen. P-Wellen sind Kompressionswellen (Stoßwellen), ähnlich wie Schallwellen, die sich longitudinal durch Dichteschwankungen ausbreiten. S-Wellen hingegen sind Scherwellen wie ein Seil, daß man durch schnelles Auf- und Abbewegen schwingen läßt. Da ihre Amplitude senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung ist, können sie sich nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten. Auf diese Weise hat man herausgefunden, daß die Erde einen flüssigen Kern von ungefähr 3000 km Radius hat (der ganz innere Kern besteht dann aus festem Eisen). Dieses flüssige Eisen ist auch für die Entstehung des Erdmagnetfeldes verantwortlich.
Durch die Aufzeichnung und Auswertung der Seismogramme können aus dem Zeitpunkt die genauen Orte der Erdbeben bestimmt werden, über ihre Amplitude die Stärke und die Tiefe. Durch Betrachtung der Wellen kann sogar herausgefunden werden durch welche Verwerfung das Erdbeben entstanden ist. Betrachtet man die Tiefe von Erdbeben, so kann man herausfinden, wo genau die Subduktionszone verläuft.
Schwache Erdbeben sind ein sehr häufiges Phänomen, welches alle paar Minuten auftritt. Die weitaus meiste Energie wird aber von den sehr seltenen starken Beben ausgelöst. Erdbeben sind jedoch nicht vorhersagbar und eignen sich für die systematische Untersuchung einer Region deshalb weniger.
In der aktiven Seismologie löst man deshalb kleine Beben künstlich aus, je nach Fragestellung mit einem Hammer, einer Rüttelmaschine oder Sprengstoff. Dies kann auch zur Untersuchung von Ozeanboden benutzt werden. In diesem Falle verwendet man eine "Air Gun", bei der Luft mit hohem Druck unter Wasser gepumpt wird, worauf sich auch eine Stoßwelle ausbreitet.
Das Ziel ist meist die Bestimmung von Gesteinsschichten. Die ausgesendeten Wellen werden an Schichten gebrochen und reflektiert. Durch die Zeit, die bis zum Eintreffen der Welle vergeht, kann dann auf die Geometrie geschlossen werden. Ob und wie sich Wellen ausbreiten hängt vom Gestein ab. Man kann mit dieser Methode also viel über das Gestein lernen. Um Scherwellen, die sich nicht durch Wasser ausbreiten können, zu detektieren, werden Meßgeräte vom Schiff auf den Meeresboden herabgelassen.
Oft werden zusätzlich zu den hier beschriebenen Methoden auch Bohrkerne genommen. Zur genaueren Bestimmung der Gesteinsparameter werden diese im Labor analysiert. Das Bohren, insbesondere auf dem Ozeanboden, ist aber sehr kostspielig und kann deshalb nur an ausgewählten Punkten durchgeführt werden.
Beim Einsatz von mehreren Quellen und Empfängern kann man sogar dreidimensionale Profile des Bodens erstellen. Das Auswerten dieser Daten ist sehr kompliziert, denn es müssen sehr viele Effekte korrigiert werden, bis man schließlich ein Bild erhält, welches wirklich die Geometrie der Schichten abbildet. Auf dem Land sind seismische Untersuchungen unerläßlich für große Bauprojekte wie Hochhäuser oder Staudämme. Denn hierbei ist die Struktur des Bodens wegen der benötigten Statik von großer Bedeutung ist.
Weitere aktive Methoden
Elektrische Methoden wie die Messung des Widerstandes wird hauptsächlich benutzt um Flüssigkeiten (Grundwasser, Permafrost) zu bestimmen. Dabei wird mit Hilfe von zwei Elektroden ein Spannungsfeld aufgebaut und mit einem zweiten Satz Elektroden der Widerstand gemessen. Der Widerstand hängt entscheidend von der Gesteinsart, von der Porosität, von der Flüssigkeit (Öl, Wasser) oder vom Luftgehalt sowie von enthaltenen Metallen ab.
Eine weitere Möglichkeit ist die Untersuchungen mit elektromagnetischen Wellen ähnlich dem Radarprinzip. Will man das Erdinnere untersuchen, so wird allerdings sehr niederfrequente Strahlung mit Wellenlängen im Kilometer-Bereich benötigt. Die Einsatzgebiete sind sehr vielfältig: Suche nach Mineralien, Untersuchung des Grundwassers, Detektieren von Verwerfungen, Permafrostgebieten bis hin zur Kartierung von Verunreinigungen des Bodens.
Ähnlich wie in der Seismologie wird bei elektromagnetischen Untersuchungen ein primäres Feld angelegt, das mit den Strukturen im Boden wechselwirkt und ein zweites Feld erzeugt. Da nur die Überlagerung dieser beiden Felder gemessen werden kann, ist die Auswertung dieser Daten hochkomplex.
Zusammenfassung
Die Anwendungen der Geophysik sind vielfältig. Auf der einen Seite dient sie der Erforschung unserer Erde. Die Möglichkeit, die Bewegung von Kontinenten über Jahrmillionen verfolgen zu können, macht sie zu einem Werkzeug der Geschichte. Sie lehrt uns den Aufbau des Inneren der Erde; einem Ort, zu dem wir keinen direkten Zugang haben. Sie wird zur Beobachtung von Klimaveränderungen eingesetzt. Auf der anderen Seite sind ihre Anwendungen ganz konkret, wenn es um die Überwachung oder Lokalisierung von Deponien geht oder um die Statik für Gebäude. Am Beispiel der Erdbebenforschung sieht man aber auch, was für ein komplexes System unsere Erde ist und wie schwierig darüber Vorhersagen gemacht werden können.
Zuguterletzt ist das Wort "Geophysik" natürlich irreführend. Die Methoden der Geophysik können auch angewandt werden, um mehr über unsere Nachbarplaneten zu lernen.
