Geodynamik
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Die Geodynamik befasst sich mit den natürlichen Bewegungsvorgängen im Erdinnern bzw. auf der Erdoberfläche. Zugleich erforscht sie die Antriebsmechanismen und Kräfte, mit denen die Verschiebungen in Zusammenhang stehen.
Der Begriff wird oft fälschlich für rein kinematische Aspekte verschiedener Deformationen verwendet, also ohne Berücksichtigung ihrer Dynamik und Ursachen.
Der Begriff Geodynamik überschneidet sich in einigen Bereichen mit der Bedeutung vom Erdspektroskopie, wird aber nicht für Phänomene benutzt. die man den Erdbeben zuordnen würde.
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[Bearbeiten] Lokaler bis interkontinentaler Bereich
Die Bewegungen des Erdkörpers finden laufend statt und können im Umkreis einiger Zehnermeter auftreten, aber auch über tausende von Kilometern. Die Untersuchung großräumiger Vorgänge erfordert naturgemäß eine internationale Kooperation. Gleichzeitig stellt das Fachgebiet der Geodynamik eine interdisziplinäre Brücke zwischen mehreren Disziplinen der Geowissenschaften dar, insbesondere der Geophysik, der Geodäsie und der Geologie. Doch auch die Astronomie trägt ihren Teil bei, vor allem bei der Definition des Bezugssystems für die zu messenden Koordinaten.
Geodynamische Erscheinungen reichen über eine breite Skala. Beispiele dafür sind
- lokale Setzungen an Gebäuden und Sedimentschichten
- langsames Bodenfließen an einem Berghang, oder eine plötzliche Rutschung nach starken Niederschlägen
- aktive geologische Störungen an den Rändern von Sedimentbecken bis zu langgestreckten Bruchlinien entlang von Flussläufen oder Gebirgszonen
- Bergstürze, ausgelöst durch regionale Erdbeben
- großräumige Schollenbewegung und Hebung von Gebirgen (z.B. der Alpen (derzeit 1-3 mm/Jahr))
- kontinentale Plattentektonik oder der Vulkanismus rings um den Pazifik.
Die Geodynamik ist daher nicht nur ein Forschungsthema für Wissenschafter, sondern auch bedeutungsvoll für die Gesellschaft, für Hilfsorganisationen und die lokale bis internationale Politik.
[Bearbeiten] Kleinräumige Erscheinungen
Die erstgenannten Phänomene sind meist oberflächennah und nur lokal wirksam. Dennoch gibt es in jedem Bundesland dutzende Örtlichkeiten, wo sie Menschen gefährden können. Die Geologischen Landesämter erforschen sie unter dem Stichwort "Georisiken".
Ein Beispiel aus Baden-Württemberg zeigt eine Hangbewegung, die sich möglicherweise zu einem größeren Bergrutsch auswachsen könnte. Die Umgebung wird dauernd geodätisch-elektronisch überwacht, um bei allfälliger Beschleunigung der Rutschung einen Alarm auslösen zu können.
Auf feuchten Hängen kriecht oft die oberste Bodenschicht talwärts, was am "Säbelwuchs" kleiner Bäume zu erkennen ist: sie trachten senkrecht zu wachsen - und müssen sich deshalb einige Jahre lang dauernd hangaufwärts krümmen. Auf Grashängen im Gebirge sieht man manchmal kahle Stellen (Plaiken), wo deshalb die Grasnarbe abreißt und wie ein gewellter Teppich nach unten rutscht.
Solche Bewegungen beschleunigen sich oft nach heftigen Regenfällen; die Durchfeuchtung bzw. Erosion kann dann sogar zum Abgang von Muren führen. Forstwirtschaftler und erfahrene Einheimische wissen, wo auf kritischen Hängen auf keinen Fall Bäume gefällt werden dürfen.
[Bearbeiten] Großtektonik als Bindeglied Geophysik-Geodäsie
Die großräumiger wirksamen geodynamischen Kräfte rühren hingegen aus dem Erdinneren her, weshalb man diesen Teil der Geodynamik bisher großteils der Geophysik zuordnete. Heute stellt sie eher ein Bindeglied zur Geodäsie dar, welche in den letzten Jahrzehnten
- durch neue Messmethoden - z.B. Laser-Distanzmessung und GPS, satellitengestützte Gravimetrie und -Fernerkundung
- oder neue Möglichkeiten zur Modellierung - wie GIS und Ausgleichsrechnung, Monitoring der Erdrotation (IERS) und globaler Vorgänge (VLBI)
- zahlreiche geophysikalisch relevante Vermessungsnetze und weltweite Bezugssysteme (vor allem ITRF) aufbaut.
Auch die Astronomie trägt zu den letztgenannten 4 Aspekten und zu großräumigen Bewegungsstudien entscheidend bei. So ist die Geodynamik zu einem Musterbeispiel für interdisziplinäre und internationale Kooperation geworden, bei der geodätische und physikalische Methoden sowie klein- und großmaßstäbige Arbeitsweisen zusammenwirken.
[Bearbeiten] Geophysikalische Dienste
Wegen dieser Verflechtung und des öffentlichen Interesses wurden in den meisten Staaten Behörden, Forschungs- oder Versuchsanstalten etabliert, die Daten über die wichtigsten geodynamischen Prozesse sammeln, interpretieren und teilweise auch Vorhersagen treffen:
- Baugeologie und Rutschgebiete,
- Erdbeben und gefährdete Zonen
- aktive Vulkane (außerhalb Mitteleuropas), Tsunamis usw.
Für Erdbeben, aber auch andere geophysikalische Themen sind wichtige Informationsstellen:
- Erdbebendienste in Deutschland: BGR Hannover, GFZ Potsdam, Bayern, Hessen, NRW und andere
- Österreich: Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, [1], Bebenvoraussage/Schutz
- Schweiz: Schweizerischer Erdbebendienst und Bebende Schweiz
- Links nach Tschechien, Ungarn, Italien und weltweit
[Bearbeiten] Erdinneres und Geodynamik
Aus dem Verlauf von Bebenwellen (Seismologie) und anderen Daten (Geologie, Tektonik, Seismik, Erdschwerefeld) hat die Geophysik seit etwa 100 Jahren immer genauere Modelle des Erdinnern erstellt. Im wesentlichen hat die Erde 4-5 Schalen: steinige Erdkruste (10 bis 80 km dick, unter Kontinenten 2-schichtig), zähflüssiger Erdmantel (bis zur Tiefe von durchschnittlich 2898 km) und flüssiger Erdkern aus Eisen mit einem festen Kern im Zentrum.
Die Geodynamik erforscht die Prozesse, die in diesem System ablaufen. Bildhaft kann man die Erde als Wärmekraftmaschine sehen, welche die Wärme des Erdinnern in Bewegung umsetzt. Die dabei auftretenden Konvektionswirbel (dem "Brodeln" von heißem Wasser oder der obersten Sonnenschicht vergleichbar) sind der "Motor" der großräumigen geodynamischen Phänomene. Ihr bekanntestes ist die Plattentektonik, die vor genau 80 Jahren Alfred Wegener als "Kontinentverschiebung" angenommen, aber damals von fast niemandem geglaubt wurde.
[Bearbeiten] Plattentektonik
Nach heutigem Wissen sind jedoch die Kontinente dabei eher passiv. Sie werden durch die Neubildung von Meeresboden mit einigen Zentimetern jährlich auseinandergedrückt, weil in den mittelozeanischen Rücken ständig neues Material aus dem Erdmantel aufsteigt und seitlich vom Rücken abkühlt. Da sich die Erde nicht ausdehnt, muss an anderer Stelle Material zurück in den Erdmantel gelangen. Dies geschieht vor allem an den Subduktionszonen im Pazifik, die den "pazifischen Feuerring" mit tausenden Vulkanen und hunderten Erdbeben pro Jahr bilden.
Was man früher nur aus Küstenformen (Wegener: Afrika/ Südamerika), Geologie und Biologie vermutete (verwandte Gesteine und Pflanzen an den Kontinenträndern), kann man seit den 1980ern direkt und cm-genau messen: mit Laser- und Satellitengeodäsie, mit verfeinerter globaler Satellitennavigation und mit Radiowellen fernster Quasare, deren Laufzeit-Unterschiede an weltweit verteilten großen Radioteleskopen gemessen werden (VLBI).
Inzwischen kann man die Driftraten jeder Kontinental- und Meeresplatte (2-20 cm pro Jahr) auf millimetergenau angeben und geodynamisch modellieren. Die Übereinstimmung zwischen Messung und Theorie liegt bei den neuesten "NIMA-Modellen" (Bild vom vorletzten Modells folgt) bereits im cm-Bereich.
[Bearbeiten] Tiefreichende geophysikalische Methoden
Neben den o.e. geometrischen Messungen trägt auch z.B. die Magnetotellurik viel zum Verständnis der Erdkörpers bei. Die Leitfähigkeit von Erdkruste und oberstem Mantel – wo die Kontinente "schwimmen" – kann magnetisch untersucht werden. So zeigt die unter Mexiko subduzierte Cocosplatte erhöhte Leitfähigkeit weil sich mineralisches Wasser der abtauchenden Platte sammeln dürfte. Es erniedrigt den Schmelzpunkt von Gesteinen und lässt daher aus der Tiefe Magma aufsteigen – was die bekannten Vulkangürtel erklärt.
Ein weiteres Werkzeug der Geodynamiker heißt „Computational Physics“. Dort werden in aufwändigen und daher sehr rechenintensiven Computersimulationen die Gesteins- und Schichtparameter so lange verändert, bis das Modell ein realistisches Verhalten aufweist. Wegen der großen Datenmengen (die Simulationen umfassen große Teile der Erde, was zu vielen Millionen Gitterpunkten führt, und simulieren Abläufe über Millionen von Jahren) sind ausgereifte numerische Verfahren, leistungsfähige Algorithmen und Hochleistungsrechner bzw. Computercluster nötig.
Warum die Erde derart vielfältig "atmet", aber Mars oder Venus nicht (mehr), ist noch weitgehend unklar. Es ist aber klar, dass die Erde einen großen Mond hat, und Venus und Mars nicht.
Etwa 90 % des Erdmagnetfeldes werden im tiefen Erdinnern erzeugt. Ob die Erdrotation im Mantel und im flüssigen Erdkern etwas unterschiedlich ist, wird in der Art eines "Dynamoprozesses" erforscht. Diese Modelle werden unter dem Begriff Geodynamo zusaamengefasst. Es soll eines Tages erklärt werden, wie mechanische in magnetische Energie umgesetzt wird und wieso sich das Magnetfeld seit Jahrtausenden abschwächt – oder gar umpolt, wie es am Ozeanboden der letzten Jahrmillionen nachgewiesen wurde. In diesem Zusammenhang werden die Rückwirkungen auf Erde und Mond bei der Tide zunehmend in den Modellen berücksichtigt.
[Bearbeiten] Oberflächennahe Geodynamik, geologische "Störungen"
Schon lange verstehen es die Geologen, aus der Abfolge von Schichten (Formationen) sowie ihren Verbiegungen, Versetzungen oder Mineralgehalten, auf ihre Bewegung seit dem Tertiär zu schließen. So sind die alpine und andere Gebirgsbildungen inzwischen gut erklärbar und zeigen z.B., dass der sandstein-artige Flysch im Alpenvorland von Österreich, Bayern und der Schweiz aus Tiefseegebieten des früheren Mittelmeeres stammt. Die Afrikanische Platte und ihr "adriatischer Sporn" drückt seit Jahrmillionen nach Norden, was die Alpen aufgewölbt hat und bis heute noch anhält. Auch die Erdbeben in Südeuropa, der Türkei oder am Rand des Zagros-Gebirges sind so erklärbar.
Aber nicht nur im Hochgebirge werden Gesteinsschichten durch langanhaltenden Druck in Falten gelegt. Bei weicherem Gestein sieht man derartiges oft auch im Mittelgebirge und sogar im Hügelland (==> Bsp. Schwarzwald).
Wenn riesige Gesteinsschichten viele Kilometer weit verschoben werden, leuchtet ein, dass die Erdkruste verschiedene "Risse" bekommt. Solche geologische Störungen finden sich allerorts in Mitteleuropa. Manche von ihnen sind nicht mehr aktiv, an anderen jedoch zeigen sich rezente Krustenbewegungen bis zu einigen cm/Jahr. Absinkenden Bewegungen in tektonischen Beckenlagen wie Pannonien, Wiener Becken, Rheingraben usw. stehen oft Hebungen in Gebirgsketten gegenüber.
In Sedimentbecken kommt es häufig vor, dass ein Nivellement mehrere solcher Störungslinien quert. Wird diese genaue Höhenmessung (wie meist üblich) alle 30-50 Jahre wiederholt, zeigen die Höhendifferenzen aufeinanderfolgender Punkte einen zeitabhängigen Verlauf. So lässt sich ohne komplizierte Modelle feststellen, welche dieser oft Dutzende km langen Störungslinien noch aktiv sind.
[Bearbeiten] Angewandte Geophysik
Viele der früheren Massenbewegungen werden erst im Zuge von Bohrungen oder Bodenuntersuchungen festgestellt, wenn ein großes Gebäude errichtet, ein Tunnel gebaut oder ein Erdölfeld seismisch oder gravimetrisch ausgelotet (exploriert) wird.
[Bearbeiten] Tunnelbau, diskordante Schichten und Bergschäden
Dass sich auch massives Gestein bewegen kann, ist dem Bergmann und dem Techniker im Tunnelbau seit langem geläufig. Viele Stollen werden durch den Gebirgsdruck laufend verengt, und die Wände eines Tunnels müssen im Regelfall befestigt werden.
Gründliche geodynamische Erforschung dieser Erscheinungen und Kräfte haben zur Entwicklung der NÖT (Neue österr. Tunnelbauweise) geführt, wo sich das Gestein durch gute Wahl des Querschnitts selber stützt.
Ein anderes Problem ist der unerwartete Wassereinbruch im Tunnel. Er tritt häufig bei diskordanter Schichtung auf.
In den Bereich der Geodynamik zählt auch die Bergschadenkunde. Sie untersucht allerdings keine natürlichen Effekte, sondern durch den Bergbau verursachte Bodenbewegungen. In erster Linie sind es Senkungen, die sich langsam von verfallenden Stollen zur Erdoberfläche fortsetzen, doch auch die Mechanik von Halden und andere Erscheinungen zählen hierzu.
[Bearbeiten] Weblinks zu großräumiger Geodynamik
- Arbeitskreis Dynamik des Erdinnern der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft
- Erdbebendienst ZAMG Wien, Aktuelle Beben
- Geodynamik an der Univ. Münster
- Geophysik an der ETH Zürich
- Geosciences-Forum: Geodynamik
- Isländischer Vulkanismus (Uni Mainz und Frankfurt)
- Institut für Planetare Geodäsie an der TU Dresden
- Eine Animation über Entwicklung und "Wachsen" des Atlantiks.
